鋰離子電池用鈦基和錳基氧化物納米陣列的制備、性能及儲能機(jī)理研究.pdf

1、近年來，隨著清潔可再生能源，多功能便攜電子設(shè)備和微納機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，對儲能裝置提出了更高的要求。鋰離子電池與其它的儲能裝置相比具有高的能量密度，良好的循環(huán)性能和低環(huán)境污染等優(yōu)點，是最具研究前景和發(fā)展?jié)摿Φ膬δ苎b置之一。雖然鋰離子電池已經(jīng)得到了商業(yè)化應(yīng)用，但其仍然存在著功率密度低，安全性能低等問題，需要進(jìn)一步研究。目前鋰離子電池的基礎(chǔ)研究之一集中在新型電極材料的設(shè)計、修飾和改性方面。本論文將設(shè)計制備具有納米陣列形貌的鈦基和錳基鋰離子電

2、池正負(fù)極材料，并分別研究其在半電池和全電池中的電化學(xué)性能及儲能機(jī)理，期望提供若干提高鋰離子電池性能的思路。電化學(xué)阻抗譜分析是鋰離子電池電極性能分析的一種重要手段，但現(xiàn)行的電化學(xué)阻抗譜分析方法在一定程度上存在著一些缺陷，本論文最后也將嘗試通過對一些參數(shù)的修正，力求提供一種比較準(zhǔn)確的阻抗譜分析方法。本論文主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)以金紅石二氧化鈦(Rutile TiO2，RTO)納米線陣列為模板，通過固相反應(yīng)得到鈦酸鋰-二氧化鈦（

3、Li4Ti5O12-TiO2，LTO-RTO）納米線陣列復(fù)合負(fù)極。通過對比研究LTO和RTO不同比例的電極性能，我們得到了最佳的質(zhì)量配比mLTO∶mRTO=3∶1.3∶1比例的電極在半電池（對電極∶鋰片）和全電池(對電極∶商用LiCoO2)中均展現(xiàn)出極其優(yōu)良的電化學(xué)性能。在半電池測試中獲得的容量（在175 mA g-1電流密度下充放電時具有～181 mAh g-1的比容量）幾乎高于所有已報道的Li4Ti5O12負(fù)極的比容量，且展現(xiàn)出極其

4、優(yōu)良的循環(huán)能力和倍率性能。在全電池測試中可獲得～2.3 V的單體電壓，展現(xiàn)了典型的充放電特征和超長的循環(huán)性能（約2.5 C的速率下亦能循環(huán)3000余次）?；谏鲜鰧嶒灲Y(jié)果，我們提出了Li4Ti5O12-TiO2復(fù)合電極的協(xié)同儲能機(jī)理。
　　(2)通過水熱法合成了均勻、有序取向且與基底結(jié)合力穩(wěn)健的二氧化錳(MnO2，MO)納米陣列。以此MO陣列為模板，通過固相反應(yīng)得到了錳酸鋰(LiMn2O4，LMO)納米陣列正極材料。通過半電池（對

5、電極∶鋰片）和全電池（對電極∶LTO-RTO負(fù)極）研究我們發(fā)現(xiàn)，在不需要其它任何修飾或改性的情況下，LMO電極依然表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在半電池中:5C倍率下循環(huán)400次，其比容量仍可保持初始值的66％。在全電池中:當(dāng)充放電電流密度為500 mA g1時，200次循環(huán)后比容量的保持率達(dá)70％。我們認(rèn)為有序納米陣列的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢與LMO納米棒多孔結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合是獲得上述性能的重要因素。
　　(3)針對電化學(xué)阻抗譜(electroche