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钛基负极材料的制备及其改性研究

颜子超  
【摘要】:钛基负极材料具有化学性质稳定、低毒、原料储存广、无污染等优点被广泛认为是一类极具潜力的锂/钠离子电池负极材料。尽管TiO2有很多优点,但其导电性差及离子在该材料中扩散率低的缺点很大程度上影响了锂离子及钠离子在Ti O2中的嵌入脱出速率。近年来,作为新型钠离子电池负极材料,Na2Ti3O7饱受着导电性和电化学稳定性差的影响,且在充放电过程中该材料还存在着结构变形。在这篇论文中,我们以提高TiO2和Na2Ti3O7的导电性和结构稳定性为目的,通过制备不同形貌、不同尺寸及不同晶型的钛基负极材料,并对材料进行碳材料的掺杂与包覆来改善材料的电化学性能。通过水热法成功合成了具有纳米尺寸的锐钛矿TiO2。研究表明,纳米尺寸的锐钛矿TiO2具有良好的电化学性能。同时,为了克服材料导电性差的缺陷,用活化碳纳米管(FCNTs)对材料进行掺杂。结果表明,活化碳纳米管成功穿插在锐钛矿TiO2纳米粒子内部并形成导电网络,有效地提升了材料的电子导电性。通过对不同掺杂量的复合材料进行电化学性能分析,我们发现掺杂量为2%的Ti O2/FCNTs纳米复合材料在锂离子电池中具有最优异的电化学性能。Ti O2/FCNTs纳米复合材料在1.0~3.0 V的电压范围内,5040 mA g-1的电流密度(30C)下,其首次放电比容量为109.2 mAh g-1,循环100次后,容量基本没有衰减。通过一步溶剂热法成功合成了在锂离子电池和钠离子电池中具有优异电化学性能的多级球形双晶二氧化钛负极材料(anatase@TiO2(B))。结果表明,anatase@TiO2(B)在锂离子电池中1.0~3.0 V的电压范围内,5040 mA g-1的电流密度(30 C)下,其首次放电比容量为114.8 mAh g-1,循环375次后,其容量仍然保持在91.7 mAh g-1。该材料在钠离子电池中0.01~2.5 V的电压范围内,850 mA g-1的电流密度下深度放电后,当电流密度降低到85 mA g-1后其放电比容量能保持在168.6 mAh g-1,在170 mA g-1的电流密度下循环50周后电池放电比容量为131mAh g-1。通过流变相法成功合成了一种Na2Ti3O7/C复合材料。分布规整的碳材料将单个分散的Na2Ti3O7粒子紧密连接起来,在材料外部生成导电网络。相对于纯的Na2Ti3O7材料来说,Na2Ti3O7/C复合材料在钠离子电池中具有优异的电化学性能,在178 mA g-1的电流密度(1 C)下循环100次后,其放电比容量为111.8 mAh g-1,而纯的Na2Ti3O7材料只有48.6 mAh g-1。


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