Ti3C2Tx及其复合材料锂离子电池负极的性能研究

作     者：郑如东 

作者单位：哈尔滨师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高红

授予年度：2020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 Ti3C2Tx 电化学性能 

摘      要：近年来,由于二维类石墨烯TiCT材料兼具导电性较高、体积容量较大、层间距较大和锂离子扩散势垒较低等优点,使其在作为锂离子电池负极材料方面受到了广泛研究。但由于湿法制备的TiCT表面会存在大量的官能团,损害了其质量比电容,极大的降低了其导电性能和储锂性能,因而难以满足高性能锂离子电池电极的设计要求。针对这些问题,本文进行了如下研究:首先,对比了两种不同的TiCT的制备工艺。分别采用HF和HCL+LiF两种不同的腐蚀剂刻蚀来制备TiCT。然后,分析比对了两种方法制备的TiCT的晶体结构、形貌结构以及表面特征。研究结果表明,当使用HF作腐蚀剂时,能够得到多层手风琴状的TiCT,但其化学表面相对复杂,存在大量的-F官能团,这对其在储能领域的应用是一种阻碍。然而经过HCl+LiF刻蚀的少层TiCT则具有更简单的化学表面,并且在水中能够以胶体的形式稳定存在。随后,通过组装锂离子电池对两种TiCT材料进行了电化学性能研究。总体上少片层的TiCT展现了更好的储锂性能以及倍率性能,在100 mA g时,少片层的电极材料展现了255 mAh g的比容量,在1 A g的条件下,少片层的TiCT电极材料在1000次循环后的比容量仍可达到205 mAh g。同时,我们对两种TiCT电极材料进行了动力学分析,在0.1～2 mV s的扫描速率下少片层的TiCT展现了更大的赝电容贡献,电化学反应过程中的电流大部分来自于快速的电容控制过程,具有更好的动力学行为。在少层TiCT的基础上,通过简单的液相方法制备了SiO/TiCT纳米片,构筑了快速且连续的三维电子/离子导电网络结构,这有利于Li的扩散,同时在电化学反应过程中增加了更多的活性位点,阻碍了TiCT纳米片的堆叠。然后通过组装锂离子电池对SiO/TiCT材料进行了电化学性能研究,在100 mA g电流密度下,SiO/TiCT首次放/充电比容量为1387.3/447.5 mAh g,在1 A g的电流密度下经过300次充放电循环SiO/TiCT可提供366 mAh g的高容量,相比于纯TiCT电极在相同的条件下(190 mAh g),比容量提高176 mAh g。通过对SiO/TiCT纳米片的动力学分析,证明了SiO/TiCT电极材料的电容控制容量的比例随扫描速率的增加而增加,说明在较高的扫描速率下,电容行为将更有效地存储/释放Li。