TiO_2锂离子电池负极材料的制备及结构与电化学性能研究

【摘要】与传统的石墨负极材料相比,锐钛矿TiO2负极材料具有较高的工作平台电压(对锂电位约1.7V),能够避免SEI膜的形成,增强电池的安全性,保证电池在在高倍率和较高温度下正常工作,同时,二氧化钛还具有储量丰富、成本低廉、自放电低、循环性能倍率性能好等优点,是一种非常具有应用前景的电极材料。但是该材料的面临的最大问题是导电性能较差,提高二氧化钛负极材料电子导电率和锂离子扩散能力是实现该材料进一步推广应用的关键。本文以四乙醇钛为反应前驱物,分别采用氢压煅烧法和溶剂热法制备了锐钛矿TiO2,并通过有机碳源的添加和裂解制备了TiO2/C复合材料,利用XRD、SEM、元素分析等材料结构分析测试方法和恒电流充放电、循环伏安法以及电化学阻抗谱等电化学测试技术对不同合成条件如不同碳源、不同表面活性剂、不同溶剂热温度合成的材料结构和电化学性能进行了研究。研究结果表明,氢压煅烧法制备得到的TiO2纳米颗粒细小,仅为10nm左右,但团聚严重,成为粒径为2～5μm球状颗粒,导致材料的容量衰退严重；通过添加不同碳源乙炔黑、碳黑、科琴黑和气相生长碳纤维(VGCF)制备了TiO2/C复合材料,其中碳源为VGCF时,复合材料具有良好的循环性能和倍率性能,这是由于TiO2附着于VGCF形成的三维网络结构中,这种结构具有良好的电子导电性和电解液渗透能力。在溶剂热法中添加表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮K-30(PVPK-30)制备得到的TiO2颗粒尺寸比采用十二烷基硫酸钠(SDS)和十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)得到的TiO2尺寸分布更均匀,该尺寸下材料具有相对较好的电化学性能；研究不同溶剂热温度对材料结构和电化学性能的影响发现,180℃下得到的TiO2颗粒尺寸最大,循环稳定性最差,120℃和150℃下颗粒尺寸差别不明显,其中150℃下溶剂热得到的TiO2颗粒尺寸约为20nm,且分散均匀,材料具有最优的放电比容量和循环稳定性,80次循环后放电比容量保持有198mAh/g;最后通过添加导电剂VGCF和表面活性剂PVPK-30原位包碳对材料电化学性能改性,实验结果表明表面活性剂为PVPK-30时,材料保持了VGCF形成的多孔隙三维网络结构,放电容量和循环稳定性得到显著提升,52次循环后放电容量为180mAh/g。
【作者】牛令辉；
【导师】潘洪革；
【作者基本信息】浙江大学，材料学，2014，硕士
【关键词】锂离子电池；负极材料；TiO2/C；氢压煅烧；溶剂热法；电化学性能；

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