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新型纳米结构钛酸盐的电化学性能研究

2020-12-29阅读(869)

新型纳米结构钛酸盐的电化学性能研究

论文摘要

目前商业化的锂离子电池负极材料主要是碳基材料,但其容量低,存在安全隐患。因此,研制新型高性能、低成本和环境友好的负极材料是十分重要的。近年来,钛基负极材料作为碳基材料的可替代材料,引起人们的广泛关注。该材料具有以下优势：优异的锂离子嵌入／脱嵌可逆性；电化学反应过程体积变化很小,属于零应变材料,安全性能高。但是,钛基材料的导电性较差,在高倍率充放电时,存在较大的极化现象和锂离子扩散速度缓慢。据文献报道,改善钛基电极材料电化学性能的手段主要是制备特殊形貌的纳米电极材料和表面碳包覆。本论文利用不同的方法设计合成系列Li2ZnTi3O8/C纳米棒复合物、Li2ZnTi308/C纳米粒子复合物和Li2MTi3O8/C（M=Mg,Mg0.5Zn0.5）纳米粒子复合物三种钛酸盐复合材料。利用XRD、SEM、TEM、TGA、BET等表征手段对合成的产物进行表征,并将其作为负极材料运用在锂离子电池中,考察它们的电化学性能。同时,研究电化学性能与电极材料之间的内在关系。本论文的主要研究内容和结果归纳如下：（1）利用纳米棒钛酸为前驱体,在温和条件下,通过外加葡萄糖为碳源,合成Li2ZnTi3O8/C纳米棒复合物。研究结果表明Li2ZnTi308/C复合物具有均匀的纳米棒形貌,长度在几微米之间,较好的循环稳定性及优异的倍率性能。含碳量3.5%的Li2ZnTi308/C纳米复合物在0.2 Ag-1的电流密度下,循环200圈后,比容量保持在247.6 mAhg-1。（2）利用溶胶凝胶法一步合成Li2ZnTi308/C纳米复合物。所合成的纳米复合物的形貌均匀,粒径大小在20-30 nm之间,表面碳层的厚度在2-3 nm之间。电化学测试结果表明,所合成的复合物比容量得到了很大地提高,在0.2 A g-1的电流密度下,循环200圈后,比容量仍可保持在284mAhg-1,比容量高出Li2ZnTi3O8纳米粒子100mAhg-1。（3）利用溶胶凝胶法一步合成Li2MTi3O8/C（M=Mg, Mg0.5Zn0.5）纳米复合物。所合成的纳米复合物粒径大小在几十纳米到几百纳米之间。电化学测试结果表明,Li2MTi3O8/C（M=Mg）Mg0.5Zn0.5)纳米复合物具较高的充放电比容量、较好的倍率性能。在0.2Ag-1的电流密度下,循环50圈后,Li2Mg0.5Zn0.5Ti3O8/C纳米复合物的比容量为185 mAhg-1,而Li2MgTi308/C纳米复合物和Li2MgTi3O8纳米粒子的比容量分别为154.9和71.8 mAhg-1.

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 引言
  • 1.1 背景
  • 1.2 锂离子电池的结构、工作原理和特点
  • 1.2.1 锂离子电池的结构
  • 1.2.2 锂离子电池的工作原理
  • 1.2.3 锂离子电池的特点
  • 1.3 锂离子电池负极材料的研究进展
  • 1.3.1 负极材料的特点
  • 1.3.2 负极材料的进展
  • 1.3.2.1 碳负极材料
  • 1.3.2.2 金属氧化物和复合材料
  • 1.4 锂离子电池电极材料的合成方法
  • 1.4.1 水热法
  • 1.4.2 溶胶凝胶法
  • 1.4.3 化学气相沉积法
  • 1.4.4 共沉淀法
  • 1.4.5 固相反应法
  • 1.4.6 其他方法
  • 1.5 钛基负极材料的存在问题及改性方法
  • 1.5.1 合成纳米结构钛酸盐负极材料
  • 1.5.2 加入导电剂
  • 1.5.2.1 碳包覆
  • 1.5.2.2 Ag/Cu包覆
  • 1.5.3 离子掺杂
  • 1.6 立题依据
  • 第二章 实验方法
  • 2.1 实验试剂与实验仪器
  • 2.1.1 实验试剂一览
  • 2.1.2 实验仪器
  • 2.2 实验方法
  • 2.3 样品的表征方法
  • 2.3.1 X射线粉末衍射分析（XRD）
  • 2.3.2 扫描电镜表面形貌分析（SEM）
  • 2.3.3 透射电镜分析（TEM）
  • 2.3.4 热重分析（TG/DTG）
  • 2物理吸附（BET）'>2.3.5 N2物理吸附（BET）
  • 2.3.6 电化学性能分析
  • 2ZnTi3O8/C纳米棒复合物的合成及其电化学性能'>第三章 Li2ZnTi3O8/C纳米棒复合物的合成及其电化学性能
  • 3.1 引言
  • 3.2 实验部分
  • 3.2.1 氢型钛酸前驱体的制备
  • 2ZnTi3O8纳米棒及Li2ZnTi3O8/C纳米棒复合物的制备'>3.2.2 Li2ZnTi3O8纳米棒及Li2ZnTi3O8/C纳米棒复合物的制备
  • 3.2.3 样品的表征和性能测试
  • 3.3 结果与讨论
  • 3.3.1 氢型钛酸前驱体的XRD与SEM分析
  • 2ZnTi3O8/C纳米棒复合物的XRD分析'>3.3.2 Li2ZnTi3O8/C纳米棒复合物的XRD分析
  • 2ZnTi3O8/C纳米棒复合物的TG分析'>3.3.3 Li2ZnTi3O8/C纳米棒复合物的TG分析
  • 2ZnTi3O8/C纳米棒复合物的SEM分析'>3.3.4 Li2ZnTi3O8/C纳米棒复合物的SEM分析
  • 3.3.5 电化学性能分析
  • 3.3.5.1 CV分析
  • 3.3.5.2 充放电曲线分析
  • 3.3.5.3 循环性能分析
  • 3.3.5.4 库伦效率分析
  • 3.3.5.5 EIS分析
  • 3.4 结论
  • 2ZnTi3O8/C纳米复合物及其电化学性能'>第四章 溶胶凝胶法合成Li2ZnTi3O8/C纳米复合物及其电化学性能
  • 4.1 引言
  • 4.2 实验过程
  • 2ZnTi3O8纳米粒子及Li2ZnTi3O8/C纳米复合物的制备'>4.2.1 Li2ZnTi3O8纳米粒子及Li2ZnTi3O8/C纳米复合物的制备
  • 4.2.2 样品的表征和性能测试
  • 4.3 结果与讨论
  • 4.3.1 XRD分析
  • 4.3.2 TG分析
  • 4.3.3 SEM/TEM分析
  • 4.3.4 BET测定
  • 4.3.5 电化学性能分析
  • 4.3.5.1 CV测定
  • 4.3.5.2 充放电曲线分析
  • 4.3.5.3 循环性能分析
  • 4.3.5.4 库伦效率分析
  • 4.3.5.5 EIS分析
  • 4.4 结论
  • 2ZnTi3O8/C(M=Mg,Mg0.5Zn0.5)纳米复合物及其电化学性能'>第五章 溶胶凝胶法合成Li2ZnTi3O8/C(M=Mg,Mg0.5Zn0.5)纳米复合物及其电化学性能
  • 5.1 引言
  • 5.2 实验过程
  • 2MgTi3O8纳米粒子的制备'>5.2.1 Li2MgTi3O8纳米粒子的制备
  • 2MTi3O8/C(M=Mg,Mg0.5Zn0.5)纳米复合物的制备'>5.2.2 Li2MTi3O8/C(M=Mg,Mg0.5Zn0.5)纳米复合物的制备
  • 5.2.3 样品的表征和性能测试
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 XRD分析
  • 5.3.2 TG分析
  • 5.3.3 SEM分析
  • 5.3.5 电化学性能分析
  • 5.3.5.1 CV分析
  • 5.3.5.2 充放电曲线分析
  • 5.3.5.3 循环性能分析
  • 5.3.5.4 EIS分析
  • 5.4 结论
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 个人简历

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