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《清华大学》 2005年
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钛氧化物一维纳米结构的制备、表征和电化学嵌锂性能

李俊荣  
【摘要】: 锂离子电池由于其优异的性能在小型消费电子产品中已经占据了绝对的市场地位,电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)是其应用的另一重大领域。现有的锂离子电池技术在EV和HEV中应用的主要问题是快速充放电性能和安全性,限制锂离子电池快速充放电性能的动力学因素在于锂离子在材料内部的扩散速率比较低。利用纳米材料作为嵌锂材料能够大大缩短锂离子的扩散距离,同时,在电极材料内部构建锂离子快速迁移的通道也可以提高快速充放电性能。本文主要研究了一系列钛氧化物一维纳米结构(纳米管和纳米线)的制备及其电化学嵌锂性能。 系统研究了以廉价的工业TiO_2为原料,经超声化学?水热法制备钛酸纳米管和纳米线的过程。研究了钛酸纳米管/纳米线的形成过程,以及纳米管向纳米线转化的过程,提出了反应初始阶段经由无定形钛酸钠向晶化层状钛酸钠转化的“底部生长”模型,为层状中间体“卷曲”形成纳米管的机理提供了实验依据。 研究了钛酸纳米管向锐钛矿TiO_2纳米管的转化,同时,创造性地将小分子有机物嵌入钛酸纳米管的内部空间和层状管壁的层间,然后直接裂解生成了具有良好的可见光催化活性的C掺杂TiO_2一维纳米结构,发展了低维纳米材料掺杂改性的方法。利用钛酸纳米管/纳米线为模板,用水热锂离子交换法成功制备了立方相结构的尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12)纳米管/纳米线-一种“零应变”嵌锂材料。 用恒流充放电法研究了钛酸纳米管/纳米线、TiO_2纳米管和尖晶石钛酸锂纳米管/纳米线的电化学嵌锂性能。研究表明,上述材料都表现了良好的电化学性能,在可逆容量、高倍率充放电能力和循环稳定性方面表现了优异的性能。用循环伏安法研究了材料的嵌锂动力学过程,研究表明,钛酸纳米管/纳米线电化学嵌锂具有赝电容法拉第过程的特点,TiO_2纳米管的嵌锂同时具有两种动力学机理,表明了上述一维纳米材料作为嵌锂材料的特殊性能。将材料的电化学性能与其结构进行了关联,提出了纳米管两端开口的中空结构和管壁的层状结构是决定其电化学性能的结构因素,这一结构为大功率动力电池材料的设计提供了一个新的思路。
【学位授予单位】:清华大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TB383.1

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