TiO2和Nb2O5的合成及其储锂性能

作     者：邓晓兰 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马建民

授予年度：2018年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：锐钛矿的二氧化钛 氧缺陷 赝电容特性 锂离子电池 五氧化铌 柔性超级电容器 双离子电容器 

摘      要：随着环境问题以及能源危机的持续加剧,开发和充分利用可再生的清洁能源来替代化石燃料显得尤为重要。并且近年来,随着消费电子市场和交通运输的扩张,迫切需求开发高容量、大功率的电化学储能与转换装置。现有的能源存储系统中,研究最集中的电化学储能装置是:可充电二次锂离子电池和超级电容器。但目前面临如下问题:i)可充电锂离子电池由于充放电速度较慢、低功耗、循环寿命较短和体积膨胀等缺陷使其应用受限。ii)超级电容由于能量密度低的不足未能充分在电动汽车里使用。为了克服上述问题,开发高能量密度和高功率密度的储能装置,一方面充分利用电容效应提高锂离子电池的储能,另一方面开发新型的电容储能器件或者优化器件体系显得至关重要。最终使得经改善的锂离子电池和优化了的超级电容器性能上得到质的提升。本文研究的内容有如下两点:(1)在论文第一章,利用赝电容效应是提高锂离子电池储锂性能的有效方式。本文通过水热法和随后的热处理,合成了氢化(H/Ar气氛)并复合碳(碳源506树脂)的锐钛矿梭型状二氧化钛,记为H-TiO@C材料。氢化时在梭型状TiO的表面能引进丰富的氧空缺。该负极H-TiO@C进行了锂离子电池性能的探究。同时TiO、H-TiO和TiO@C材料作为对比组。H-TiO@C电极分别在0.1 A/g和1 A/g电流密度下,可逆的比容量为310 mAh/g和126 mAh/g。此外,通过CV曲线分析计算出1 mV/s扫速下,赝电容贡献电流在总电流的比重占63.9%。这显著的电化学性能归结于材料中的氧缺陷和碳包覆的协同作用,提升了材料的赝电容效应。这项工作的意义在于能有效地通过改善金属氧化物的赝电容特性来提高储锂性能。(2)在论文第二章,提高能量密度和功率密度并且扩大工作电压以满足电容器的能源需求具有现实意义。经由液相的水热法合成了长在不锈钢网基底的五氧化二铌的阵列,记为NbO@SLS纳米阵列样品,当作超级电容器的储能负极材料。并且设计组装成一种新颖的柔性准固态双离子不对称电容器(Ni(OH)@SLS阵列作为正极材料)。在这样一个双离子不对称电容体系,碱性凝胶电解液中NbO负极和Ni(OH)正极分别与Li和OH接触进行能量的存储。这与传统的碱金属离子电容器和碱性电容器不同。该柔性的双离子准固态不对称电容器能在高的电压窗口下(1.7 V)工作,并且其比电容量、能量/功率密度分别为19.32 mF/cm、0.52 mWh/cm和170 mW/cm。在长循环过程该器件仍具有良好的电容保持率。此外,该器件能高效、快速地点亮一个红色的LED灯。在便携式电子器件和柔性储能领域中,该双离子器件有着广阔的运用前景。