鋰離子電池負極材料TiO2及Li4Ti5O12的改性制備及其電化學性質(zhì).pdf

1、鋰離子電池在動力及儲能等方面的應用前景吸引了越來越多的關(guān)注。與目前已經(jīng)商業(yè)化的石墨碳負極相比,二氧化鈦(TiO2)因其高容量、價格低廉、優(yōu)越的循環(huán)性能和安全性能被廣泛的認為是下一代高功率電池的極具應用潛力的負極材料,但其也存在以下問題:導電性差(10-12~10-7 S·cm-1);在鋰離子反復脫嵌過程中,TiO2納米顆粒容易團聚,導致鋰離子在固體活性材料中擴散速度較慢(擴散系數(shù)10-15~10-9 cm2·s-1),鋰離子無法實現(xiàn)快速

2、地嵌入脫出,導致其倍率性能差,極大的限制了這種材料的實際應用。基于以上分析,本論文通過構(gòu)筑微納TiO2網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),與高導電性的氮摻雜石墨復合以及一步氫化制備自身高導電性的TiO2與還原氧化石墨復合等方法來提高TiO2的導電性,從而提高它的倍率特性。具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)采用納米微晶纖維素(NCC)為模版,制備了微鈉多級結(jié)構(gòu)TiO2/C復合材料。所制備得到的TiO2納米顆粒有效減小鋰離子擴散路徑,增加電極/電解液接觸面積,再以

3、蔗糖為碳源,通過一步水熱法制備納微TiO2/C復合材料,提高材料的導電性,電化學測試表明,這種具備微納導電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的TiO2/C復合材料在倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性都有明顯的提高。
　　(2)以乙二醇和氨水作為還原劑和氮源,通過一步水熱的方法制備TiO2/N-RGO復合材料。電化學測試表明TiO2/N-RGO復合材料在10 C下的初始容量為126.8 mAh·g-1,恒流充放電循環(huán)100圈后容量仍保持在118.4 mAh·g-1,僅有6

4、.62％的容量損失。優(yōu)異的電化學行為可歸因于石墨烯電子結(jié)構(gòu)的改善,提高了導電基底與活性物質(zhì)之間的電子傳輸。為了進一步提高T iO2材料的本征電導率我們通過一步氫化法制備得到了氫化TiO2/RGO復合材料。因為氫化的T iO2本征電導率的提高,以及與石墨烯之間的良好接觸有效地縮短了Li+和電子的傳輸路徑,對比TiO2/RGO,H-TiO2/RGO表現(xiàn)了更好的倍率性能及容量保持率,1 C倍率充放電時的放電容量達225.3 mAh·g-1,1

5、00次循環(huán)后,容量保持率仍能達到93.3%。
　　(3)通過靜電紡絲并結(jié)合軟模版自助裝法制備了介孔的Li4Ti5O12/C納米纖維。相比于常規(guī)的Li4T i5O12/C納米纖維,我們制備的介孔Li4Ti5O12/C納米纖維具有更高的倍率性能和容量保持率,在5 C倍率下有127.4 mAh·g-1的可逆容量,經(jīng)100圈的充放循環(huán)后仍能保持有122.7 mAh·g-1的比容量。這種一維納米纖維有效地縮短了Li+的傳輸路徑,增強了活性物