鋰離子電池TiO2負極材料的結構設計及摻雜改性研究.pdf

1、和現(xiàn)存的各類電池如鋅/堿錳、鉛酸、鎳鉻/氫、太陽能等儲能電池相比較而言，鋰離子電池因為電壓平臺和能量密度高、可充放電次數(shù)多，幾乎沒有自放電和記憶效應，不污染環(huán)境，此外，使用鋰離子電池電源使電子產(chǎn)品質量輕便化，因此鋰離子電池被廣泛用于各種類型的電子產(chǎn)品中。鋰離子電池與人們生活的各個方面息息相關，深入到生活的每個方面，小到煤氣灶、熱水器，大至飛機、潛艇、魚雷都遍布著鋰離子電池的足跡。
　　在很大程度上，電池的容量由電極材料本身的性能決

2、定，負極材料對容量的影響相比較于正極材料來說更大。對于產(chǎn)業(yè)化鋰離子電池的負極材料來說，目前投入使用最多的是碳基材料。但是充放電過程中鋰枝晶的產(chǎn)生是碳基材料負極無法攻克的難題，一旦隔膜被刺破，其后果不堪設想，嚴重的甚至會引發(fā)爆炸和火災。另外首周充放電過程中形成的固體電解質界面膜(SEI膜)使得Li+有較大的不可逆損失，最終導致電池的庫倫效率較低。
　　現(xiàn)有的商業(yè)負極材料已經(jīng)達到了性能的極限，并且基于碳基負極材料存在著缺點和不足，所以

3、新一代鋰離子電池研制的迫切任務是尋找新型、高效的負極材料。各種各樣的過渡金屬氧化物最近幾年被廣泛用作鋰離子電池負極材料。其中二氧化鈦(TiO2)得益于其環(huán)保、易制備等優(yōu)勢而受到廣泛關注。其嵌鋰電位在1.7 V左右，有效的避免了鋰枝晶和SEI膜的生成。隨著近年來納米結構與基礎材料技術的迅猛發(fā)展，納米材料被廣泛用作電極材料。作為儲鋰材料，納米材料較大的比表面積和較短的擴散距離，非常有利于Li+的脫嵌，并且可以有效的抑制充放電過程中的體積膨脹

4、，從而延長電池的循環(huán)壽命。相比于常規(guī)體的相材料而言，納米TiO2具有大的界面體積百分比和較短的擴散距離，更有利于Li+的脫嵌。納米TiO2由于制備方法簡單、可控，應用前景十分廣闊。
　　TiO2本身具有化學性質穩(wěn)定、無刺激性、無致敏性、全面防護紫外線等優(yōu)點，被廣泛用于光催化、化妝品、污水處理、空氣凈化等領域，但是TiO2本身導電性差，作為電極材料來說其電化學性能受到限制?；赥iO2導電性差的不足，我們對其進行了摻雜改性。因為Sn

5、4+(0.069nm)、Nb5+(0.0605nm)與Ti4+(0.0605nm)的離子半徑比較接近，容易實現(xiàn)成功的摻雜;并且為了探究同價態(tài)摻雜和異價態(tài)摻雜，所以選擇對TiO2進行Sn4+和Nb5+摻雜。本論文分別探討了錫摻雜的TiO2納米管和Nb5+摻雜的TiO2納米花苞電極的嵌鋰性能:
　　1.溶膠凝膠法(Sol-gel)結合水熱法制備Sn摻雜的TiO2納米管。實驗結果表明:120℃水熱24 h，400℃退火是最佳實驗條件，且

6、經(jīng)過一系列物理表征證明Sn摻雜并未改變原始TiO2的銳鈦礦相結構。測試Sn摻雜的TiO2納米管的電化學性能，結果表明Sn摻雜的TiO2納米管具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。在所有比例的樣品中5 at.％ Sn摻雜TiO2納米管具有最好的電化學性能。
　　2.Sol-gel法結合水熱法，制備Nb摻雜的TiO2納米花苞，測試材料的電化學性能。經(jīng)過一系列物理表征證明Nb摻雜并未改變原始TiO2的銳鈦礦相結構，和純TiO2相比鈮摻雜的Ti