锂离子电池负极材料tinb2o7的制备及掺杂改性研究

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1、工学硕士学位论文锂离子电池负极材料TiNb2O7的制备及掺杂改性研究STUDYOFSYNTHESISANDDOPINGMODIFICATIONOFTiNb2O7FORLITHIUM-IONBATTERIES高金龙哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TM912.9学校代码：10213国际图书分类号：6212.3密级：公开工学硕士学位论文锂离子电池负极材料TiNb2O7的制备及掺杂改性研究硕士研究生：高金龙导师：程新群副教授申请学位：工学硕士学科：化学工程与技术所在单位：化工学院答辩日期：2015年6月授予学位单

2、位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TM912.9U.D.C.:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSTUDYOFSYNTHESISANDDOPINGMODIFICATIONOFTiNb2O7FORLITHIUM-IONBATTERIESCandidate:GaoJinlongSupervisor:Asossc.Prof.ChengXinqunAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecial

3、ty:ChemicalEngineeringandTechnologyAffiliation:SchoolofChemicalEngineeringandTechnologyDateofDefence:June,2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要电动机车的逐渐兴起和电子产品市场的迅速扩大对锂离子电池的材料提出了高能量和高功率的需求，传统碳材料与逐渐研究成熟的硅类、锡类材料都存在一些难以解决的问题，

4、钛酸锂材料拥有优异的倍率性能及平稳的充放电电压平台，但其175mAh/g的低理论比容量限制其作为动力电池的材料。所以亟需寻找一种高能量和高功率的负极材料来满足动力电池的需要。铌酸钛材料的锂离子嵌入电位在1.64V左右，避免了SEI膜形成的同时提高了材料的能量密度，在1.0V~2.5V进行充放电，有280mAh/g的可逆容量，远超过钛酸锂的理论比容量，其优异的性能已引起国内外知名学者的注意，但其差的导电性问题仍待解决，本文从制备方法和CNT(碳纳米管)、Nb对材料的掺杂改性入手，结合第一性原理计算来改善材料的性能。首先

5、对比了固相法、液相法和溶胶凝胶法合成的铌酸钛材料的性能，采用溶胶凝胶法合成的纳微分级结构的材料在1C和10C的倍率下循环100次的可逆比容量分别维持在230mAh/g和175mAh/g左右。引入CNT后，液相法掺CNT5%的材料在0.1C下循环100次，比容量由首次的212.8mAh/g衰减到172.9mAh/g，而纯相材料100次循环后比容量仅剩53.1mAh/g。溶胶凝胶法制备的TiNb2O7@5%CNT复合材料在0.1C循环的容量保持率为86.94%，1C时为94.8%，比溶胶凝胶法制备的TiNb2O7材料的6

6、0.50%和89.20%都要高，CNT能够在材料颗粒间形成导电骨架，提升了材料的导电性，从而提高了材料的循环稳定性。以Nb为掺杂源采用固相法合成的掺杂材料Ti1-xNb2+xO7(x=0.04,0.06,0.08,0.1,0.12,0.14)，材料形貌与TiNb2O7材料类似，颗粒尺寸均匀且分散良好，其1C的循环性能测试结果表明Ti0.9Nb2.1O7材料的容量保持率最高，100次循环后仍然有171.78mAh/g的可逆比容量，10C的大倍率长循环测试结果与1C的测试结果较一致，Ti0.9Nb2.1O7材料的容量保持

7、率最高，1000次循环后相对于最高可逆比容量的保持率为89.42%。进一步提高Nb的含量，采用溶胶凝胶法制备了非化学计量比化合物Ti1-xNb2+xO7(x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6)，材料由纳米小颗粒聚集成微米级的大颗粒，在大倍率下的循环性能优于小倍率，归功于纳微分级结构在大倍率下更能发挥材料性能。第一性原理计算结果表明在TiNb2O7材料中掺入少量的Nb和合成不同的Ti、Nb化学计量比的材料带隙均变窄，掺杂0.5%Nb的材料带隙由纯相材料的2.002eV降为0.739eV，随着Nb含量的增加

8、，带隙逐渐变宽，态密度图中的峰-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文越来越尖锐，说明材料微观体系的离域性增强，导电能力提高。关键词：锂离子电池；负极材料；掺杂改性；铌酸钛；第一性原理-II-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractNowadays,theneedforhighenergyandhighpowermaterialsapplyi