納米二氧化鈦負(fù)極材料的制備及其電化學(xué)性能研究

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1、納米二氧化鈦負(fù)極材料的制備及其電化學(xué)性能研究(申請(qǐng)清華大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文)培養(yǎng)單位:材料學(xué)院學(xué)科:材料科學(xué)與工程研究生:李勇指導(dǎo)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?zhàn)鳛橐环N非常有前景的鋰離子電池和鈉離子電池的負(fù)極材料,不僅來(lái)源廣泛、成本低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,而且在充放電過(guò)程中體積變化比較小(小于4%)+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(fù)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(fù)極材料的離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率都比較低,還不足以滿(mǎn)足高能量密度電池的要求。本文采用簡(jiǎn)易的方法(水熱或水解法)合成了三種不同形貌結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米材料,并對(duì)它們

3、的鋰離子和鈉離子的傳輸和存儲(chǔ)特性進(jìn)行了表征。論文首先通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的氮化鈦水解過(guò)程制備了一種高振實(shí)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(chǔ)性能。更重要的是,二氧化鈦球的尺寸和孔徑分布對(duì)其鋰離子和鈉離子存儲(chǔ)性能有及其重要的影響。鋰離子的存儲(chǔ)和運(yùn)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(chǔ)和運(yùn)輸性能主要依賴(lài)于具有大的宏觀孔體積且結(jié)構(gòu)松散的二氧化鈦納米球,這種結(jié)構(gòu)有利于鈉離子的傳輸和存儲(chǔ)。具有高振實(shí)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(dá)

4、到189mAh/g,循環(huán)100圈后容量保持率達(dá)88.1%)和鈉離子電池(1C電流密度下比容量達(dá)到184mAh/g,循環(huán)200圈后容量保持率達(dá)90.5%)性能。其次,為了進(jìn)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(jié)晶性二氧化鈦的方法。發(fā)現(xiàn)在氮化鈦水解過(guò)程中,在冰乙酸的誘導(dǎo)下80C下反應(yīng)一段時(shí)間即可制得銳鈦礦二氧化鈦介晶,而不需要后續(xù)的高溫?zé)崽幚怼Mㄟ^(guò)調(diào)節(jié)冰乙酸含量和反應(yīng)時(shí)間能夠精細(xì)地調(diào)整二氧化鈦介晶的尺寸和結(jié)晶度。在優(yōu)化結(jié)晶性二氧化鈦制備工藝的同時(shí),這種二氧化鈦介晶材料具有優(yōu)異的儲(chǔ)鋰性能(1C電流密度下的比容量達(dá)到180mAh/g,循環(huán)100圈后容

5、量保持率達(dá)92.9%)。最后,基于氮化鈦納米粉末的水熱反應(yīng),制備出了一種不需引入外來(lái)添加劑即可實(shí)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(zhǎng)短和粗細(xì)可以通過(guò)調(diào)控水熱溶液的成分配比來(lái)調(diào)節(jié)。而當(dāng)鹽酸濃度為2.4mol/L時(shí),二氧化鈦納米棒負(fù)極材料的電化學(xué)性能最為優(yōu)異,循環(huán)400圈后容量幾乎沒(méi)有衰減。同時(shí)在二氧化鈦納米棒的制備過(guò)程中,引入多壁碳納米管進(jìn)行修飾,提高了二氧化鈦納米棒在長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中的比容量。關(guān)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

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