阳极氧化二氧化钛纳米管在钠离子电池中的应用

作     者：蒋琦 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李刚

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 0808[工学-电气工程] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：二氧化钛纳米管 N,P共掺杂 钠离子电池 负极材料 长循环稳定性 氧空位 

摘      要：由于资源丰富和成本低廉的优势,钠离子电池被视为储能应用的理想选择。寻找具有高可逆容量、良好的高低温性能以及优良倍率性能的钠离子电极材料仍然是亟待解决的难题。由于Ti O具有较高的理论可逆比容量、稳定的结构、安全嵌钠电位等特点,引起了研究者的广泛关注。然而Ti O较低的电子电导率以及Na嵌入困难阻碍了其进一步应用。因此,本文通过N,P共掺杂对自支撑结构的锐钛矿型Ti O纳米管进行改性。测试结果显示,N,P共掺杂显著改善了Ti O的电导率和大电流下的循环性能;另外,本文通过表面处理制备了具有高浓度氧空位的二氧化钛纳米管,测试结果表明,其N杂原子掺杂效率以及电化学性能均得到了大幅提升。主要研究内容如下:（1）通过调控两次阳极氧化电压的差值,制备出有“嵌套管形貌的特殊Ti O纳米管,并发现“嵌套管中小管的数量和阳极氧化的电压呈正相关的关系,特别在10V的电压下,Ti O纳米管的管壁也发生腐蚀现象。（2）以NHHPO同时作为N源和P源,结合自支撑结构的结构优势,利用阳极氧化法结合退火的方式成功制备出了N,P共掺杂的Ti O纳米管。结果表明,N,P元素的原子掺杂比例分别为7.2%和9.7%的掺杂比例,N掺杂方式以取代和间隙掺杂的方式存在于Ti O表面晶格中,P掺杂方式以取代掺杂和形成表面磷酸化合物的方式存在于Ti O表面晶格中。N掺杂主要提供氧空位以提高Ti O整体导电性,P掺杂主要提供包覆材料的磷酸盐以限制Ti O在充放电过程中的体积膨胀。Ti O-NP作为钠离子电池负极表现出优异的倍率性能和长循环性能:在0.1 C的电流密度下Ti O-NP电极保持309.7 m Ah g的可逆容量,在25 C的电流密度下保持181.1 m Ah g的可逆容量,并在5000圈循环后的可逆容量保持率高达100%。相较于单掺杂,双掺杂展现出更强的电化学性能,该方法为制备出优异性能的电极材料提供新的思路。（3）以尿素为N源进行N掺杂和电化学诱导表面氧空位缺陷相结合的思路,制备出了高N掺杂量的Ti O-N纳米管。结果表明,N掺杂位于Ti O表面而非体相,氧空位缺陷诱导的Ti O-N的N掺杂量（8.5%）远高于仅掺杂处理的Ti O-N的掺杂量（4.1%）,并证明了掺杂前对Ti O进行氧空位的构建,有助于掺杂量的提升。Ti O-N作为钠离子电池负极表现出优异的速率性能和长循环性能:在0.1 C的电流密度下Ti O-N电极保持313.2 m Ah g的可逆容量,在25 C的电流密度下保持178.3 m Ah g的可逆容量,并在3500圈循环后的可逆容量保持率高达98.4%。