本文關鍵詞： Ti_2Nb_(10)O_(29)新型材料 固相合成 多孔TiNb_2O_7納米球 溶劑熱合成 功率密度大 長壽命 鋰離子電池　出處：《中國科學技術(shù)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：鈦鈮氧化物具有較高的理論比容量;在鋰離子的脫嵌過程中晶格參數(shù)和晶胞體積變化很小,可逆性較高;并且其充/放電電位在1.6V左右,循環(huán)過程中不易產(chǎn)生SEI膜和鋰枝晶;相比同電位的Li4Ti5012表現(xiàn)出更高的比容量,是一種頗具應用前景的新型負極材料。然而,鈦鈮氧化物存在著離子和電子導電率較低的問題,限制了其電化學性能的提高。我們發(fā)展了 Ti2Nb10029新型負極材料;并對Ti2Nb10029進行了碳包覆的改性研究;設計了 TiNb207納米顆粒構(gòu)筑的多孔球結(jié)構(gòu),探討了其電化學性能與結(jié)構(gòu)的關聯(lián)性。論文的主要內(nèi)容概括如下:1.利用固相反應制備了 Ti_2Nb_(10)O_(29)新型負極材料。其鈦鈮比不同于常見的TiNb207,結(jié)構(gòu)中鈦含量減少導致共棱的切變結(jié)構(gòu)減少,更有利于鋰離子的擴散,同時鋰離子嵌入的活性位點增多,容量增加。作為鋰離子電池負極材料,Ti2Nb10O29電極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學性能:首次庫倫效率可達到94.2%(0.1 C);在10 C的電流密度下,經(jīng)過800次循環(huán)以后,放電比容量還穩(wěn)定在144 mAh/g,而且晶體結(jié)構(gòu)依然保持穩(wěn)定;另外在快充慢放的不對稱倍率性能測試中,電流密度從2C增加到20C時比容量損失很少。另外,將Ti2Nb10029材料作為負極跟正級材料磷酸鐵鋰組裝成全電池,其在1C的電流密度下循環(huán)1000次以后,比容量仍然穩(wěn)定在100 mAh/g,表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性。2.利用乙炔熱解碳對已合成的Ti_2Nb_(10)O_(29)進行包覆修飾,制備出Ti2Nb10O29/碳復合材料。碳包覆能夠改善材料的電子導電性,進而提高其電化學性能,因此Ti2Nb10029/碳復合材料的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能相較于未包覆的Ti2Nb10O29材料均有一定提高。Ti2Nb10029/碳復合材料的首次庫倫效率達到96%,經(jīng)過50次循環(huán)以后的可逆比容量穩(wěn)定在245 mAh/g。3.發(fā)展了溶劑熱反應,制備出由納米顆粒構(gòu)筑的TiNb207多孔球。結(jié)合微納化和多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,不僅縮短了鋰離子的傳輸距離,而且增加了電極材料與電解液的接觸,進而提高了 TiNb2O7的電化學性能。這種獨特的球形多孔納米材料首次庫倫效率達到94%;在5 C的電流密度下,經(jīng)過10000次循環(huán)以后可逆比容量還能穩(wěn)定在160 mAh/g,相當于每次循環(huán)僅有0.0033%的容量損失率,并且形貌結(jié)構(gòu)保持完整;在50 C電流密度(19.8 A/g)下,可逆比容量穩(wěn)定在167 mAh/g,與鈦酸鋰材料的理論比容量相差不多;另外,在快充慢放的不對稱倍率性能測試中,當電流密度從1 C增加到50 C,可逆比容量僅從277 mAh/g降低到243 mAh/g。
[Abstract]:Titanium niobium oxide has high theoretical specific capacity. During the deintercalation of lithium ion, the lattice parameters and the volume of the unit cell change little, and the reversibility is high. The charge / discharge potential is about 1.6 V, and it is not easy to produce SEI film and lithium dendrite during the cycle. Compared with the same potential Li4Ti5012 has higher specific capacity and is a promising new negative electrode material. However the titanium niobium oxide has the problem of low ionic and electronic conductivity. The improvement of electrochemical performance is limited. We have developed new negative electrode materials for Ti2Nb10029. The modification of Ti2Nb10029 by carbon coating was studied. The structure of porous spheres constructed by TiNb207 nanoparticles was designed. The relationship between electrochemical properties and structure was discussed. The main contents of this paper are summarized as follows: 1. TiSP _ 2NbC _ (10) O _ (T _ (29)) was prepared by solid state reaction. The ratio of titanium to niobium is different from that of TiNb207. The decrease of titanium content in the structure leads to the decrease of the shear structure of the coaxial, which is more favorable to the diffusion of lithium ion. Meanwhile, the number of active sites embedded in the lithium ion increases and the capacity increases. It is used as the anode material for lithium ion battery. The Ti2Nb10O29 electrode shows excellent electrochemical performance: the first Coulomb efficiency can reach 94.2C0. 1 C ~ (-1); At the current density of 10 C, after 800 cycles, the specific discharge capacity is still stable at 144 mg / g, and the crystal structure remains stable. In addition, when the current density is increased from 2C to 20C, the loss of specific capacity is very small. The Ti2Nb10029 material was used as the negative electrode and the positive material, iron lithium phosphate, to form the full battery. The battery was recirculated 1 000 times at the current density of 1 C. The specific capacity is still stable at 100mAh/ g, showing good cyclic stability. 2. Using acetylene pyrolytic carbon to modify the synthesized Ti2NbS10 / OSP _ (29). Ti2Nb10O29 / carbon composites were prepared. Carbon coating can improve the electronic conductivity of the materials and then improve their electrochemical properties. Therefore, the cyclic stability and ratio properties of Ti2Nb10029 / carbon composites are better than those of uncoated Ti2Nb10O29 composites. Ti2Nb10029 / carbon composite is better than that of uncoated composites. The expected first-time Coulomb efficiency reached 96%. After 50 cycles, the reversible specific capacity was stable at 245 mg / g 路3. The solvothermal reaction was developed. TiNb207 porous spheres constructed from nano-particles were prepared. The advantages of micronanocrystalline and porous structure not only shorten the distance of lithium ion transport, but also increase the contact between electrode material and electrolyte. Furthermore, the electrochemical performance of TiNb2O7 was improved. The first Coulomb efficiency of this unique spherical porous nano-material was 94%. At the current density of 5 C, the reversible specific capacity can be stabilized at 160mAh-g after 10000 cycles, which is equivalent to the loss rate of only 0.0033% capacity per cycle. The morphology and structure remained intact. At 50 C current density of 19.8 A / g, the reversible specific capacity is stable at 167 mg / g, which is not much different from the theoretical specific capacity of lithium titanate material. In addition, when the current density is increased from 1 C to 50 C, the reversible specific capacity is only reduced from 277 mAh/g to 243mAh/ g.
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TM912

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