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二氧化钛空心球材料制备及锂电性能的研究

二氧化钛空心球材料制备及锂电性能的研究

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作者：刁瑞佳昆明理工大学

学位级别：硕士

锂离子电池在电子和汽车产品的应用非常广泛,是新型能源技术发展主要方向,通常在锂离子电池中设计负极材料的纳米结构来提高其电化学性能。然而,循环效率差、循环寿命短、比容量低等特点,不仅会减少锂离子电池的使用范围、缩短使用寿命... 详细信息

锂离子电池在电子和汽车产品的应用非常广泛,是新型能源技术发展主要方向,通常在锂离子电池中设计负极材料的纳米结构来提高其电化学性能。然而,循环效率差、循环寿命短、比容量低等特点,不仅会减少锂离子电池的使用范围、缩短使用寿命,同时也严重影响电池的服役安全。研究表明,通过制备介孔纳米空心球,可以减少在锂离子电池充放电过程的体积膨胀,及提高锂离子的快速脱出嵌入,从而显著的提升锂离子电池储锂性能及循环稳定性能。在锂离子电池负极材料中,半导体过渡金属氧化物tio由于毒性小、结构稳定和优异的充放电循环性能,介孔tio空心球被认为是新一代理想的锂离子电池负极材料之一。但是到目前为止,介孔tio纳米空心球沉积过程仍然不明确,缺乏系统性的认知,虽然对介孔tio空心球的制备提出众多研究及作用机制,但大多数都专注于其光电性能,对其锂电的研究缺乏系统性。此外,介孔tio空心球电导率、Li扩散率和比容量较低(如锐钛矿型tio的理论比容量仅为335 mAh·g),严重制约了锂离子电池的性能提升和开发应用。因此,在本研究中以介孔空心球结构作为研究对象,首先通过制备介孔tio空心球,分析不同沉积时间及反应时间对介孔tio空心球结构的影响,并对其进行电化学测试,找出最佳工艺参数。找出结构稳定,电化学性能较好的试样对其进行石墨碳包覆,不仅提高其电子、离子的导电率,更因为石墨的渗入进而起到结构保护的作用。得到以下主要研究结论:(1)研究了不同沉积时间对介孔tio空心球结构的影响。发现在论文实验所确定的工艺参数范围内,当沉积时间小于24 h时,tio难以吸附到SiO颗粒上,以散状的等轴晶、颗粒的形式存在。当沉积时间大于30 h时,介孔tio空直径大小不一,由于沉积时间过长,部分空心球继续沉积,直径越来越大。沉积时长为24 h时,成功的制备出结构完整,粒径为600 nm左右的介孔tio空心球电极材料,并获得最优的电化学性能,首次放电比容量为250 mAh·g,在100次循环后,容量仍能达到175 mAh·g,在5C电流密度下,容量仍能保持在160.4mAh·g。(2)研究了不同水热时间对杂化tio空心球碳含量的影响。发现在设定的工艺参数范围内。当水热时间为2 h时,杂化tio/gc空心球外包覆的石墨碳层不均匀。当水热6 h时杂化tio/gc空心球,每一个tio纳米颗粒被9.3 nm石墨碳层一致均匀的涂覆。水热4 h时杂化tio/gc空心球,每一个tio纳米颗粒被5.5 nm石墨碳层一致均匀的涂覆,并获得最优异的电化学性能,经过100次充放电循环后,容量仍保持在192 mAh·g。

关键词：介孔tio2空心球杂化tio2/gc空心球电化学

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