【摘要】：消費類電子產(chǎn)品和電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展使得人們對儲能電池的要求變得越來越高,儲能電池不僅要具備長循環(huán)、低成本、安全無污染等特性,更要滿足人們對于高功率、高能量密度電池的使用要求。其中鈮基氧化物Nb_2O_5以其良好的循環(huán)穩(wěn)定性和特殊的離子脫嵌機制被作為鋰/鈉離子電池負(fù)極材料進行廣泛研究,但是低的電子電導(dǎo)率和離子擴散系數(shù)降低了Nb_2O_5的可逆容量,限制了材料在高倍率條件下的應(yīng)用。和Nb_2O_5相同,TiNb_2O_7也具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和適宜的離子脫嵌電位,但是高的禁帶寬度同樣使得TiNb_2O_7有著較差的導(dǎo)電性。因此本文通過設(shè)計合適的改性方案來提高這兩種材料的導(dǎo)電性,進而提升材料在鋰/鈉離子電池中的充放電性能,主要工作內(nèi)容及研究情況如下:(1)通過水熱法合成了具有片層花狀結(jié)構(gòu)的Nb_2O_5前驅(qū)體材料,SEM表征證實了片層花狀結(jié)構(gòu)是由單個厚度為30 nm左右的納米片聚集而成的,且最終形成的微花整體分散性良好,結(jié)構(gòu)規(guī)則有序。對比分析了不同溫度下煅燒出的Nb_2O_5材料的電化學(xué)性能,其中600℃煅燒條件下得到的Nb_2O_5有著更高的充放電比容量,1C電流密度下為201.2 mAh/g,10 C時仍可達(dá)到147.0 mAh/g,這歸因于材料自身的晶體結(jié)構(gòu)和表觀的納米片層花狀結(jié)構(gòu),納米片層具有更大的比表面積,而T相結(jié)構(gòu)中則存在更多利于離子擴散的間隙位點,兩者的協(xié)同作用使得大倍率下離子的擴散更為迅速,材料的電化學(xué)性能也更為優(yōu)異。(2)對最優(yōu)溫度下煅燒出的純相Nb_2O_5進行氫化改性,并對其儲鋰和儲鈉機理進行深入探究。通過電化學(xué)測試可知在鋰/鈉離子電池中,氫化改性后材料的電化學(xué)性能得到明顯改善。鋰離子電池中氫化改性后的材料在30 C、50 C大電流密度下充電比容量分別為136.6 mAh/g和103.3 mAh/g,顯著高于未改性材料的充放電比容量。對改性前后材料進行電化學(xué)動力學(xué)分析,實驗結(jié)果表明氫化改性后的材料有著更小的傳荷阻抗和更高的離子擴散系數(shù)(1.38×10~-1616 cm~2/s),同時氧空位的存在也提升了鋰離子脫嵌過程中贗電容電流的占比。對于鈉離子電池來說,材料表現(xiàn)出和鋰離子電池相同的電化學(xué)性能規(guī)律,這證實了通過引入表面氧空位,可以提高材料電極反應(yīng)速率,增強電荷傳遞能力。(3)對TiNb_2O_7材料進行還原氧化石墨烯的復(fù)合改性,探究了復(fù)合材料在鈉離子電池中的電化學(xué)性能。SEM圖表明在復(fù)合材料中,尺寸為100 nm左右的TiNb_2O_7納米顆粒均勻附著在還原氧化石墨烯片層表面,材料沒有明顯的團聚現(xiàn)象發(fā)生。根據(jù)電化學(xué)性能和交流阻抗譜圖可知,復(fù)合材料相比于純相TiNb_2O_7有著更好地電子傳導(dǎo)和離子傳導(dǎo)性,在0.2 C和0.5 C電流密度下的充電比容量分別為201.1 mAh/g和151.6 mAh/g,高于純相材料的充放電比容量,說明還原氧化石墨烯的存在使得復(fù)合材料導(dǎo)電性提高。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM912
【圖文】：

鋰離子電池工作示意圖

目前研究較為廣泛的鋰離子負(fù)極材料主要有以下兩類[11]：碳基負(fù)非碳基負(fù)極材料；碳基負(fù)極材料主要包括石墨類碳材料（天然、人造墨）和無定形碳材料（軟碳、硬碳）。非碳基材料主要包括：金屬合金（S 基）、鈦酸鋰（Li4Ti5O12）、過渡金屬氧化物（TiO2、CoO、NiO、CuO、2O3、Fe3O4等），各種負(fù)極材料的電位區(qū)間及能量密度分布情況如圖 1-2

膜、負(fù)極、集流體五個部分組成。鈉離子電池充放電過程中圖 1-4 所示[43]，充電過程中，鈉離子從正極脫出，達(dá)到負(fù)極嵌入進負(fù)極材料中。放電過程中，鈉離子從負(fù)極脫出，電子正極，鈉離子在電極電勢的作用下與電子結(jié)合，重新回到正

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