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《納米二氧化鈦負極材料的制備及其電化學性能研究》由會員上傳分享,免費在線閱讀,更多相關內(nèi)容在學術論文-天天文庫。
1、納米二氧化鈦負極材料的制備及其電化學性能研究(申請清華大學工學碩士學位論文)培養(yǎng)單位:材料學院學科:材料科學與工程研究生:李勇指導教師:賀艷兵副研究員二○一七年五月SynthesisandElectrochemicalPerformanceofNano-sizedTiO2AnodeMaterialsThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinMaterialsScienceandEngineeringbyLi
2、YongThesisSupervisor:AssociateProfessorHeYan-BingMay,2017摘要摘要二氧化鈦作為一種非常有前景的鋰離子電池和鈉離子電池的負極材料,不僅來源廣泛、成本低、化學性質(zhì)穩(wěn)定,而且在充放電過程中體積變化比較?。ㄐ∮?%)+并且擁有較高的鋰離子嵌入/脫嵌電位(1.7VvsLi/Li),因此二氧化鈦負極材料具有非常優(yōu)異的循環(huán)可逆性、安全性和快速充放電性能。然而,二氧化鈦負極材料的離子電導率和電子電導率都比較低,還不足以滿足高能量密度電池的要求。本文采用簡易的方法(水熱或水解法)合成了三種不同形貌結構的二氧化鈦納米材料,并對它們
3、的鋰離子和鈉離子的傳輸和存儲特性進行了表征。論文首先通過一個簡單的氮化鈦水解過程制備了一種高振實密度的銳鈦礦二3氧化鈦球(1.06g/cm),發(fā)現(xiàn)這種二氧化鈦球不僅尺寸和孔徑分布可以調(diào)控,而且具有優(yōu)異的鋰離子和鈉離子存儲性能。更重要的是,二氧化鈦球的尺寸和孔徑分布對其鋰離子和鈉離子存儲性能有及其重要的影響。鋰離子的存儲和運輸性能主要取決于二氧化鈦球的尺寸和微孔的分布及體積。相比之下,鈉離子的存儲和運輸性能主要依賴于具有大的宏觀孔體積且結構松散的二氧化鈦納米球,這種結構有利于鈉離子的傳輸和存儲。具有高振實密度的二氧化鈦納米球具有優(yōu)異的鋰離子電池(1C電流密度下比容量達
4、到189mAh/g,循環(huán)100圈后容量保持率達88.1%)和鈉離子電池(1C電流密度下比容量達到184mAh/g,循環(huán)200圈后容量保持率達90.5%)性能。其次,為了進一步降低二氧化鈦納米材料的制備成本,論文發(fā)展了一種低溫o制備結晶性二氧化鈦的方法。發(fā)現(xiàn)在氮化鈦水解過程中,在冰乙酸的誘導下80C下反應一段時間即可制得銳鈦礦二氧化鈦介晶,而不需要后續(xù)的高溫熱處理。通過調(diào)節(jié)冰乙酸含量和反應時間能夠精細地調(diào)整二氧化鈦介晶的尺寸和結晶度。在優(yōu)化結晶性二氧化鈦制備工藝的同時,這種二氧化鈦介晶材料具有優(yōu)異的儲鋰性能(1C電流密度下的比容量達到180mAh/g,循環(huán)100圈后容
5、量保持率達92.9%)。最后,基于氮化鈦納米粉末的水熱反應,制備出了一種不需引入外來添加劑即可實現(xiàn)氮摻雜的二氧化鈦納米棒(金紅石相)。其中,二氧化鈦納米棒的長短和粗細可以通過調(diào)控水熱溶液的成分配比來調(diào)節(jié)。而當鹽酸濃度為2.4mol/L時,二氧化鈦納米棒負極材料的電化學性能最為優(yōu)異,循環(huán)400圈后容量幾乎沒有衰減。同時在二氧化鈦納米棒的制備過程中,引入多壁碳納米管進行修飾,提高了二氧化鈦納米棒在長循環(huán)過程中的比容量。關鍵詞:二氧化鈦;鋰離子電池;鈉離子電池;冰乙酸;氮化鈦IAbstractAbstractTitaniumdioxide(TiO2)asaveryprom
6、isinganodematerialoflithium-ionbattery(LIB)andsodiumionbattery(SIB),isnotonlyabundant,lowcostandstable,butalsohassmallvolumechangeintheprocessofcharge(lessthan4%)anddischargeaswell+ashighlithiumioninsertion/extractionpotential(1.7VvsLi/Li).Thus,theTiO2anodematerialshaveveryexcellentcyc
7、lereversibility,safetyandcharge/dischargeperformance.However,theionicconductivityandelectronicconductivityofTiO2anodematerialsarerelativelylower,whichcannotmeettherequirementsofhigh-energydensitybatteries.Inthispaper,threekindsofTiO2nanomaterialswithdifferentmorphologiesweresynthesiz