TiO2/石墨烯锂电池负极材料的制备及电化学性能研究

作     者：耿春燕 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于锦

授予年度：2019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：锂离子电池 负极材料 石墨烯层数 TiO2 

摘      要：近年来金属氧化物及其复合材料已成为研究的热点,其中TiO因其安全性能和环保等优点成为一种极具发展潜力的负极材料。TiO的体积膨胀率小(4%),因此在电池充电和放电过程中可避免由于体积变化过大导致电池内部材料粉化、脱落或甚至爆炸的问题,但其较差的导电性限制了它的应用。本文利用石墨烯良好导电性的优点,将TiO/石墨烯复合材料作为研究对象,在实验过程中,使用多层(5-10层)和少层(1-5层)的氧化石墨烯作为原料,采用三种不同的钛源(二氧化钛、钛酸丁酯、硫酸氧钛)分别与其复合,通过水热合成法成功制备了具有不同晶体结构的TiO/石墨烯复合材料,并对其电化学性能展开了详细的讨论,探究了石墨烯的层数和不同钛源对复合材料的电性能影响。具体研究结果如下:(1)以商业TiO为钛源,采用水热法成功制备了具有金红石TiO结构的TiO/rGO复合材料,探究了rGO的层数对材料电性能的影响。研究结果表明TiO/rGO-2(few-layers)复合材料表现出更好的电化学性能。在电流密度为100 mA/g下,100次充放电循环后,TiO/rGO-2(few-layers)复合材料的放电比容量仍达322.3 mAh/g,且库伦效率为98.9%;而TiO/rGO-1(multi-layers)复合材料仅为240.2 mAh/g。在160 mA/g和320 mA/g的电流密度下,TiO/rGO-2(few-layers)复合材料的放电比容量仍分别可达285.8 mAh/g和235.6 mAh/g。与TiO/rGO-1(multi-layers)复合材料相比,TiO/rGO-2(few-layers)复合材料的SEI膜阻抗和电荷转移阻抗更小,较小的阻抗值有利于材料的电化学性能。(2)采用钛酸丁酯为钛源,以不同层数的氧化石墨烯作为前驱体,制备了具有锐钛矿型TiO结构的TiO/rGO复合材料,微观结构表征发现TiO纳米粒子较为均匀地分布在褶皱的石墨烯片层。100次充放电循环后,TiO/rGO-4(few-layers)复合材料的放电比容量和库伦效率分别可达344.3 mAh/g和99.3%,其性能均优于以多层氧化石墨烯作为前驱体制备的复合材料。(3)以硫酸氧钛为钛源,合成了具有锐钛矿TiO结构的TiO/rGO-5(multi-layers)和TiO/rGO-6(few-layers)复合材料。100次充放电循环后,TiO/rGO-6(few-layers)复合材料的放电比容量仍达285.3 mAh/g,且库伦效率为98.6%;在160 mA/g和320 mA/g的电流密度下,TiO/rGO-6(few-layers)复合材料的放电比容量分别可达201.2 mAh/g和162.5 mAh/g;然而TiO/rGO-5(multi-layers)复合材料的放电比容量仅为78.9 mAh/g和49.6 mAh/g。在所有电流密度下,TiO/rGO-6(few-layers)电极表现出比TiO/rGO-5(multi-layers)更好的倍率性能。(4)通过研究TiO、钛酸丁酯和硫酸氧钛三种不同钛源制备的复合材料的电化学性能,可以明显看出以钛酸丁酯为钛源合成的复合材料在微观结构上分散性更好,钛酸丁酯更适合制备出粒径分布较为均匀的TiO,而良好的分散性更加有利于材料的电性能。此外,无论采用哪种钛源合成TiO/rGO复合材料,均是以少层氧化石墨烯为前驱体制备的电极材料的电化学性能更好,表明少层石墨烯更适合应用在电极材料方面。