發(fā)布時間：2017-07-19 07:14

  本文關(guān)鍵詞：水熱法合成含鈦類鋰離子電池負極材料及其電化學性能的研究

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【摘要】：日益增加的能源消耗和由此所帶來的環(huán)境問題受到越來越多人的關(guān)注。人類對于綠色能源的需求也變得越發(fā)迫切。近十年來,鋰離子電池技術(shù)發(fā)展迅猛,躍成為當今社會最主要的能量儲存與轉(zhuǎn)化的新能源技術(shù)之一。負極材料作為鋰離子電池中一個很重要的組成部分,其性能的好壞直接決定了鋰離子電池性能的優(yōu)劣。TiO_2是一種含鈦類鋰離子負極材料,具有容量高、資源豐富、環(huán)境友好、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、安全性能高等優(yōu)點,是極具潛力的新一代鋰離子電池負極材料。然而TiO_2電子導電率低(10-12～10-7 s·cm-1),且在Li+嵌入TiO_2晶格后,難以在晶格表面形成有效電場,Li+不能順利地脫出,鋰離子擴散速率也隨之降低(10-15～10-9cm2·s-1),所以大倍率充放電時實際比容量并不高。同樣作為含鈦類鋰電負極材料的尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)屬于絕緣型材料,電子導電率和離子擴散速率都非常低。當作為電極材料時,往往出現(xiàn)較大的極化,倍率性能差。針對TiO_2和Li_4Ti_5O_(12)存在的以上問題,本文采用水熱合成法、微乳液輔助水熱法、離子參雜法等方式對TiO_2納米結(jié)構(gòu)進行制備和改性,具體研究結(jié)果如下：(1)用水熱法制備出TiO_2納米顆粒,再二次運用水熱法將制備好的TiO_2納米顆粒與不同濃度的NaOH/KOH溶液反應,通過調(diào)節(jié)反應溫度和反應時間獲得不同形貌的TiO_2納米結(jié)構(gòu)。電化學測試表明,銳鈦礦型Ti02納米顆粒較其他四種TiO_2的納米結(jié)構(gòu)(納米管,納米線,納米片,納米棒)相比,具有較高的首次放電容量,可達260.5 mAh·g-1;電壓平臺穩(wěn)定且較長；容量保留率高,在20 mA·g-1的電流密度下放電時,50次循環(huán)后容量仍可達200.9mAg·g-1。TiO_2納米顆粒的交流阻抗也是這五種TiO_2納米結(jié)構(gòu)中最小的,僅為40.5Ω。(2)由于TiO_2納米顆粒是這五種TiO_2納米結(jié)構(gòu)中綜合電化學性能最優(yōu)的,在水熱法制備TiO_2納米顆粒的基礎(chǔ)上,加入七水硫酸亞鐵作為鐵源,制備出了Fe摻雜的TiO_2納米顆粒。通過控制七水硫酸亞鐵的加入量,制備了Fe/Ti摩爾比分別為0.001,0.005,0.01,0.02的Fe/TiO_2納米顆粒。電化學性能測試表明,Fe摻雜的TiO_2納米顆粒在可逆容量、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性方面要明顯優(yōu)于純Ti02納米顆粒。在四種不同摻Fe量的TiO_2納米顆粒中,Fe/Ti摩爾比為0.01的樣品其綜合電化學性能最優(yōu)。(3)TiO_2和Li_4Ti_5O_(12)都是含鈦類鋰離子電池負極材料。本文繼續(xù)采用水熱法輔助微乳液合成了被銳鈦礦型TiO_2包覆的Li_4Ti_5O_(12)納米棒材料,并具體分析了該種材料的生長機理。電化學性能測試表明,在電流密度為0.0175 A·g-1時,TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)復合材料的可逆容量可達209.1 mAh·h-1即使電流密度達到7A·g-1,容量也能達到102.9 mAh·g-1,比純Li_4Ti_5O_(12)要高得多(52mAh·g-1),且在電流密度為1.75 A·g-1下,經(jīng)過50次循環(huán)后還能保持初始容量的96%,這些結(jié)果都表明在Li_4Ti_5O_(12)上包覆一層銳鈦礦型TiO_2大大提升了Li_4Ti_5O_(12)的可逆容量,倍率性能和電化學可逆性。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 離子參雜 含鈦類負極材料 水熱合成
【學位授予單位】：昆明理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TM912
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 緒論12-30
• 1.1 引言12
• 1.2 鋰離子電池簡介12-17
• 1.2.1 鋰離子電池的發(fā)展簡史12-14
• 1.2.2 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及工作原理14-15
• 1.2.3 鋰離子電池的性能特點15-17
• 1.3 負極材料的研究現(xiàn)狀17-20
• 1.3.1 碳材料17-18
• 1.3.2 硅基材料18-19
• 1.3.3 錫基材料19
• 1.3.4 過渡金屬氧化物19-20
• 1.4 負極材料TiO_2的概述及研究現(xiàn)狀20-24
• 1.4.1 TiO_2的結(jié)構(gòu)特性及儲鋰機制20-22
• 1.4.2 納米結(jié)構(gòu)的TiO_2的制備方法及研究現(xiàn)狀22-24
• 1.5 Li_4Ti_5O_(12)的制備方法和研究現(xiàn)狀24-27
• 1.5.1 Li_4Ti_5O_(12)的結(jié)構(gòu)特性及儲鋰機制24-25
• 1.5.2 Li_4Ti_5O_(12)的制備方法及研究現(xiàn)狀25-27
• 1.6 離子參雜的研究現(xiàn)狀27-28
• 1.7 研究內(nèi)容及意義28-30
• 第二章 實驗藥品、儀器及方法30-36
• 2.1 實驗藥品及儀器設(shè)備30-31
• 2.1.1 實驗所用化學試劑30-31
• 2.1.2 實驗所用儀器設(shè)備31
• 2.2 材料的制備31-32
• 2.2.1 水熱法制備TiO_2納米顆粒31-32
• 2.2.2 水熱法制備TiO_2的其他納米結(jié)構(gòu)32
• 2.2.3 制備摻Fe的TiO_232
• 2.2.4 水熱法制備TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)復合的負極材料32
• 2.3 材料的表征與測試32-33
• 2.3.1 X射線衍射分析32
• 2.3.2 掃描電子顯微鏡分析32-33
• 2.3.3 透射電子顯微鏡分析33
• 2.3.4 X射線光電子能譜分析33
• 2.3.5 能譜分析33
• 2.4 電極的制備與電池的組裝33-34
• 2.4.1 電極片的制備33-34
• 2.4.2 電池的組裝34
• 2.5 材料的電化學性能測試34-36
• 2.5.1 充放電測試34
• 2.5.2 交流阻抗分析34-35
• 2.5.3 循環(huán)伏安測試35-36
• 第三章 多種TiO_2納米結(jié)構(gòu)的水熱法合成及電化學性能研究36-50
• 3.1 引言36
• 3.2 多種TiO_2納米結(jié)構(gòu)的制備與表征36-37
• 3.2.1 多種TiO_2納米結(jié)構(gòu)的制備36-37
• 3.2.2 多種TiO_2納米結(jié)構(gòu)的表征37
• 3.2.3 多種TiO_2納米結(jié)構(gòu)的電化學測試37
• 3.3 實驗結(jié)果與討論37-48
• 3.3.1 TiO_2納米顆粒的結(jié)構(gòu)和物相分析37-40
• 3.3.2 TiO_2的其他納米結(jié)構(gòu)的形貌和物相分析40-44
• 3.3.3 不同TiO_2納米結(jié)構(gòu)的電化學性能分析44-48
• 3.4 本章小結(jié)48-50
• 第四章 Fe摻雜的TiO_2納米顆粒的制備及其電化學性能研究50-62
• 4.1 引言50
• 4.2 Fe摻雜的TiO_2納米顆粒的制備與表征50-51
• 4.2.1 Fe摻雜的TiO_2納米顆粒的制備50-51
• 4.2.2 Fe摻雜的TiO_2納米顆粒的表征51
• 4.2.3 Fe摻雜的TiO_2納米顆粒的電化學性能測試51
• 4.3 實驗結(jié)果與討論51-60
• 4.3.1 XRD分析51-53
• 4.3.2 TEM分析53-54
• 4.3.3 XPS分析54-55
• 4.3.4 Fe摻雜的TiO_2的電化學性能分析55-60
• 4.4 本章小結(jié)60-62
• 第五章 TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)復合材料的制備與電化學性能的研究62-72
• 5.1 引言62
• 5.2 TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)復合材料的制備與表征62-63
• 5.2.1 TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)復合材料的制備62
• 5.2.2 TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)復合材料的表征62-63
• 5.2.3 Li_4Ti_5O_(12)復合材料的電化學性能測試63
• 5.3 實驗結(jié)果與討論63-70
• 5.3.1 XRD分析63-64
• 5.3.2 SEM分析64-65
• 5.3.3 TEM分析65-67
• 5.3.4 TiO_2/Li_4Ti_5O_(12)復合材料的電化學性能分析67-70
• 5.4 本章小結(jié)70-72
• 第六章 結(jié)論與展望72-74
• 6.1 結(jié)論72-73
• 6.2 展望73-74
• 致謝74-76
• 參考文獻76-84
• 附錄 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文84

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