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钛铌氧化物负极材料改性与电化学性能研究

罗楠  
【摘要】:高功率锂离子电池在电动汽车、重型混合动力商用车和定向能装备有重要的应用前景,具有高倍率性能、安全性能和循环性能的负极材料研究受到广泛重视。钛铌氧化物具有较高的理论比容量,在锂离子的脱嵌过程中晶格参数和晶胞体积变化很小,可逆性较高并且其脱嵌锂电位在1.6 V左右,循环过程中不易产生SEI膜和锂枝晶;相比同电位的Li4Ti5O12表现出更高的比容量,是一种颇具应用前景的新型负极材料。然而,钛铌氧化物离子和电子导电率较低,限制了其电化学性能的提高。本论文采用纳米多孔微球结构、多孔还原氧化石墨烯复合、氧空位引入、纳米银包覆等多种方法协同对钛铌氧化物负极材料进行改性,显著增加了材料的离子电导率和电子电导率,获得了较高电化学性能的钛铌氧化物负极材料,并探讨了电化学性能提升的原因。论文的主要内容和结果如下:(1)采用溶剂热法制备了纳米多孔微球状Ti2Nb10O29(TNO),结合冷冻干燥与气氛煅烧,制备了含氧空位Ti2Nb10O29-x(TNOx)/多孔还原氧化石墨烯(TNOx/HRGO)复合材料。TNOx/HRGO复合材料具有极佳的倍率性能和循环性能,在1 C、5 C、10 C、20 C和40 C倍率下分别拥有316 mAh/g、278 mAh/g、242 mAh/g、225 mAh/g 和 173 mAh/g 的比容量;在10 C的倍率下循环300圈后仍有238 mAh/g的可逆比容量,容量保持率高达98%。(2)采用XPS、ESR(电子自旋共振)、EIS(交流阻抗)和高分辨透射电镜TEM研究了TNOx/HRGO复合材料的价态、非成对电子状态、阻抗和晶体结构与形貌。结果表明TNOx/HRGO复合材料电化学性能提升的原因主要是:纳米多孔微球结构具备大的比表面和短的锂离子扩散路径,可促进锂离子的扩散;氧空位的引入提高了 TNO内部的载流子浓度,从而提升材料的本征电导率,进而提升了倍率性能;锂离子可穿过HRGO上的孔洞,从而拥有更高的锂离子扩散速率,且HRGO优异的导电性能,可从外部进一步提高材料整体的导电性;(3)采用两步溶剂热法,制备出TNO与纳米银的复合材料TNO/Ag。纳米银均匀分布在TNO纳米微球表面。使TNO在与其复合后电子电导率提升了 5个数量级至1.9×104S cm-1。TNO/Ag复合材料在各个倍率下的容量随硝酸银的添加量呈现一种先增加后减小的趋势,银添加量为6.8 wt.%处达到最佳,其在0.1 C、2 C、5 C、10 C、20 C倍率下,容量分别为302 mAh/g、282 mAh/g、271 mAh/g、252 mAh/g、238 mAh/g。


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