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锂离子电池负极材料TiO_2的合成、制备工艺及电化学性能研究

韩香波  
【摘要】:电能的广泛使用得益于现在人们的生活、工作和生产对电力的依赖越来越大,如手机、电脑、蓝牙耳机等消费电子产品,如厨房用具、电视等家用电器,如现在化的企业、城市建设的基础设施等等,尤其是人类即将迈进5G时代,对电能的需求将会显著增加。而锂离子电池慢慢也发展为现在用电设备的主要储电设备。目前,现在各个国家都在寻求一种绿色科技的发展,如清洁能源、环保材料等。而二氧化钛(TiO_2)作为一种环境友好型的、资源节约型的环保材料,人们对它的探索也从未停止过,一直以来,它都是一种很好的光催化材料。但是,随着人们对TiO_2的研究越来越深入,人们发现采用的原料不同、工艺条件不同、制备方法不同可以得到不同晶型结构的TiO_2,如锐钛矿相TiO_2、TiO_2(B)、金红石相TiO_2、板钛矿相TiO_2等,而在它的众多晶型中,研究人员发现有适用于制备储能设备锂离子电池的电极材料,于是学者们也开始了对TiO_2电性能的研究。锐钛矿型TiO_2具有双向空隙通道,相对其它晶型有较高的理论比容量,所以锐钛矿型TiO_2比较适合用来做锂电池的负极材料。所以,TiO_2在作为锂离子电池负极材料的领域,被更多学者们关注,而忽视了其他晶型。直到近年来,一些人开始把目光慢慢转向另一种晶型TiO_2(B),TiO_2(B)属于单斜晶系,在a轴、b轴、c轴三个坐标轴的各个方向均有可以让锂离子的迁移通道,所以它比锐钛矿型二氧化钛具有更高的理论比容量,将其与锐钛矿有效结合起来运用在锂离子电池负极材料,不仅可以有效的提高放电比容量,而且更加有助于材料的稳定性。本文从提高锂离子电池负极的比容量、增强电池安全性、改善稳定性等角度出发,通过水热法分别设计合成了不同形貌的TiO_2。以下是本论文的研究内容:(1)通过水热法在水热反应过程中分别以氢氧化钠和氢氧化钾溶液碱性介质制备单、双相TiO_2纳米片,纳米片的尺寸大小大约为20 nm左右,且分散性均匀没有观测到明显团聚现象。测试结果表明以氢氧化钠碱性介质制备的二氧化钛的微观结构为纳米级片状,而且可以明显的看到介孔结构。这些介孔结构可以有效的加速电解液的扩散、锂离子和电子的转移,这种结构对材料的电化学性能具有一定的贡献。水热反应时以氢氧化钾溶液为碱性介质制备的TiO_2具有锐钛矿型和TiO_2(B)两种晶型,既双相TiO_2纳米片,他比单相TiO_2纳米片有着更稳定的电化学性能。(2)在(1)的基础上,在水热反应过程中更换碱性介质,采用氢氧化锂溶液,得到了完全不同于(1)中制备出的形貌;在透射电镜中呈现出空心球的纳米结构,也不同于以往学者研究100nm的空心球,它的尺寸大约为10-15 nm空心纳米晶;通过XRD对样品进行检测可以得出不仅有锐钛矿还出现了相应的TiO_2(B)的特征峰,既双相TiO_2空心纳米晶,我们通过对材料的电性能进行对比发现,双相TiO_2空心纳米晶比双相TiO_2纳米片具有更为优异的电化学性能。(3)在(2)的基础上研究了,不同的水热时间对空心纳米晶的形貌和电化学性能的影响。


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