氧缺陷二氧化钛的制备及其锂空气电池正极性能研究

【摘要】：锂空气电池因其超高的理论比容量(3860 m Ah g~(-1))被认为是最有潜力的二次化学电源,但是正极催化剂、电解液和负极材料中存在的诸多问题限制了锂空气电池的发展。其中,正极催化剂的催化能力和稳定性被认为是最重要的影响因素。二氧化钛是目前公认的最稳定的锂空气电池正极材料,但是不理想的电催化能力和电子导电性导致其在锂空气电池中的电化学性能并不理想。本工作中,我们通过在二氧化钛中引入氧缺陷改善其电催化能力,以提高其作为锂空气电池正极催化剂时电池的性能。采用湿法刻蚀制备泡沫钛纳米线阵列,通过碱性条件下的水热反应使泡沫钛纳米线阵列转变成核壳结构的Ti@TiO_2,在氩氢混合气中热处理Ti@TiO_2引入氧缺陷。金属Ti纳米线阵列为电极提供了电子传输的高速通道,而氧缺陷的引入使TiO_2具备了对氧还原和氧析出反应的催化能力。限压2~4.5 V,设定电流密度为0.1 A g~(-1),首次充放电比容量高达3057 m Ah g~(-1),远高于二氧化钛纳米线阵列结构(500 m Ah g~(-1));限容1000 m Ah g~(-1),充放电电流密度为1 A g~(-1),可进行充放电循环90次;循环90次后的Ti@H/TiO_2仍保留着原有的阵列形貌,表现了良好的稳定性。采用两步法以Ti_2O_3为原料制备含氧缺陷的二氧化钛粉体,通过使用不同的热处理气氛,可得到氧缺陷含量不同的产物Ar-TiO_2(TiIV:Ti III=18)和air-TiO_2(TiIV:Ti III=24)。在锂空气电池中的电化学测试表明,设定电流密度为0.1 A g~(-1),Ar-TiO_2和air-TiO_2的首次充放电比容量分别为1017 m Ah g~(-1)和936 m Ah g~(-1),远高于TiO_2粉体的455 m Ah·g~(-1)和Ti_2O_3的259 m Ah g~(-1);电流密度为0.1 A g~(-1),Ar-TiO_2的放电平台为2.75 V,充电平台为3.75 V,air-TiO_2的放电平台为2.62 V,充电平台为4 V。限容500 m Ah g~(-1),电流密度为0.5 A g~(-1)下,Ar-TiO_2可以循环37次。不同材料的电化学测试结果表明引入氧缺陷可以有效的提高TiO_2的催化能力,且氧缺陷浓度越高催化能力越强。