鋰離子電池TiO2負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及摻雜改性研究.pdf

1、和現(xiàn)存的各類(lèi)電池如鋅/堿錳、鉛酸、鎳鉻/氫、太陽(yáng)能等儲(chǔ)能電池相比較而言，鋰離子電池因?yàn)殡妷浩脚_(tái)和能量密度高、可充放電次數(shù)多，幾乎沒(méi)有自放電和記憶效應(yīng)，不污染環(huán)境，此外，使用鋰離子電池電源使電子產(chǎn)品質(zhì)量輕便化，因此鋰離子電池被廣泛用于各種類(lèi)型的電子產(chǎn)品中。鋰離子電池與人們生活的各個(gè)方面息息相關(guān)，深入到生活的每個(gè)方面，小到煤氣灶、熱水器，大至飛機(jī)、潛艇、魚(yú)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(fù)極材料對(duì)容量的影響相比較于正極材料來(lái)說(shuō)更大。對(duì)于產(chǎn)業(yè)化鋰離子電池的負(fù)極材料來(lái)說(shuō)，目前投入使用最多的是碳基材料。但是充放電過(guò)程中鋰枝晶的產(chǎn)生是碳基材料負(fù)極無(wú)法攻克的難題，一旦隔膜被刺破，其后果不堪設(shè)想，嚴(yán)重的甚至?xí)l(fā)爆炸和火災(zāi)。另外首周充放電過(guò)程中形成的固體電解質(zhì)界面膜(SEI膜)使得Li+有較大的不可逆損失，最終導(dǎo)致電池的庫(kù)倫效率較低。
　　現(xiàn)有的商業(yè)負(fù)極材料已經(jīng)達(dá)到了性能的極限，并且基于碳基負(fù)極材料存在著缺點(diǎn)和不足，所以

3、新一代鋰離子電池研制的迫切任務(wù)是尋找新型、高效的負(fù)極材料。各種各樣的過(guò)渡金屬氧化物最近幾年被廣泛用作鋰離子電池負(fù)極材料。其中二氧化鈦(TiO2)得益于其環(huán)保、易制備等優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)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(lái)納米結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)材料技術(shù)的迅猛發(fā)展，納米材料被廣泛用作電極材料。作為儲(chǔ)鋰材料，納米材料較大的比表面積和較短的擴(kuò)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(guò)程中的體積膨脹

4、，從而延長(zhǎng)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(kuò)散距離，更有利于Li+的脫嵌。納米TiO2由于制備方法簡(jiǎn)單、可控，應(yīng)用前景十分廣闊。
　　TiO2本身具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無(wú)刺激性、無(wú)致敏性、全面防護(hù)紫外線等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于光催化、化妝品、污水處理、空氣凈化等領(lǐng)域，但是TiO2本身導(dǎo)電性差，作為電極材料來(lái)說(shuō)其電化學(xué)性能受到限制?；赥iO2導(dǎo)電性差的不足，我們對(duì)其進(jìn)行了摻雜改性。因?yàn)镾n

5、4+(0.069nm)、Nb5+(0.0605nm)與Ti4+(0.0605nm)的離子半徑比較接近，容易實(shí)現(xiàn)成功的摻雜;并且為了探究同價(jià)態(tài)摻雜和異價(jià)態(tài)摻雜，所以選擇對(duì)TiO2進(jìn)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(jié)合水熱法制備Sn摻雜的TiO2納米管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:120℃水熱24 h，400℃退火是最佳實(shí)驗(yàn)條件，且

6、經(jīng)過(guò)一系列物理表征證明Sn摻雜并未改變?cè)糡iO2的銳鈦礦相結(jié)構(gòu)。測(cè)試Sn摻雜的TiO2納米管的電化學(xué)性能，結(jié)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(xué)性能。
　　2.Sol-gel法結(jié)合水熱法，制備N(xiāo)b摻雜的TiO2納米花苞，測(cè)試材料的電化學(xué)性能。經(jīng)過(guò)一系列物理表征證明Nb摻雜并未改變?cè)糡iO2的銳鈦礦相結(jié)構(gòu)，和純TiO2相比鈮摻雜的Ti