tio2基高倍率锂离子电池负极材料的改性研究

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1、学校代码10530学号201510131326分类号TM912密级硕士学位论文TiO2基高倍率锂离子电池负极材料的改性研究学位申请人张晶指导教师马增胜副教授学院名称材料科学与工程学院学科专业材料科学与工程研究方向新能源材料与器件二零一八年六月TiO2-basedanodematerialswithhigh-rateforlithiumionbatteriesCandidateJingZhangSupervisorAssociateProfessorZengshengMaCollegeSchoolofMaterialsScienceandEngineeringP

2、rogramNewEnergyMaterialsandDevicesSpecializationMaterialScience&EngineeringDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune2018摘要随着便携式消费电子产品、新能源汽车等快速发展对锂离子电池的能量密度、充电速度提出了更高要求，这也极大地推动了科研工作者对高比能量和高比功率的锂离子电池材料的研究。目前商用化石墨负极材料在快速充放电时存在安全隐患，而TiO2因极高的安全性、良好的循环性及与碳近似的理论比容量，是一种很

3、有前景的负极材料，但TiO2因较差的导电导锂性而限制了其商业化应用。本文针对目前TiO2大电流充放电性能差、容量低等问题，一是采用对锐钛矿、B型的TiO2纳米材料进行硼(B)掺杂改性，以改变TiO2本身的晶体结构为设计点，来提高TiO2自身离子和电子的传导率从而获得高倍率性能；二是通过制备TiO2@SnO2复合纳米纤维，从而提高整体电极材料的导电性及容量。通过溶胶凝胶法结合静电纺丝法，制备了不同比例B掺杂锐钛矿TiO2纳米纤维，纤维直径在200nm左右，通过测试手段分析了B元素掺杂的机理、存在形式及最优掺杂比例，测试结果表明：B掺杂TiO2纳米纤维中部分B取代

4、了Ti的位置，多余的B以无定型B2O3形式存在，纤维表面均存在孔隙，不同比例B掺杂对TiO2纳米纤维形貌及尺寸有不同的影响，其中ATOB-2纳米纤维相对其他掺杂比例样品具有更小的尺寸、更大的比表面积(125m2/g)和更加优异的电化学性能，在2A/g的大电流下充放电循环5000次后容量保持167mAh/g容量，在循环8000次后仍保持150mAh/g的高容量，在4A/g的充放电电流下仍具有150mAh/g容量，体现了极好的循环稳定性能和倍率性能。以锐钛矿TiO2纳米纤维为原材料通过水热法制备了TiO2(B)纳米线，再用浸渍法制备了B掺杂TiO2(B)纳米线，水

5、热法极大地减小了材料尺寸，TiO2(B)纳米线的直径约为20nm，通过测试手段分析得：制备的B掺杂TiO2(B)纳米线中复合有锐钛矿TiO2，为复合相纳米线，TiO2(B)纳米线具有更大的比表面积(209.74m2/g)、更低的电荷转移电阻和极高的倍率性能，在10A/g(60C)的电流下无需小电流激活，可直接充放电，1分钟即可充满，具有170mAh/g的高容量，循环10000次后仍具有70mAh/g的容量，大幅度提高了TiO2倍率性能。最后以锐钛矿TiO2纳米纤维为基底，采用水热法在TiO2纳米纤维表面上长上直径约为20nm的SnO2颗粒，SnO2颗粒大小一致

6、，分布均匀，TiO2@SnO2复合纳米纤维首次放电比容量为718mAh/g，循环100次后，仍具有180mAh/g的高容量，结构稳定的TiO2缓解了SnO2在充放电过程中的形变，SnO2的高容量弥补了TiO2的容量偏低和导电性差的问题，可以获得更为优异的电化学性能。关键词：锂离子电池；负极材料；B型TiO2；硼掺杂；静电纺丝IAbstractTherapiddevelopmentofportableconsumerelectronicsandnewenergyvehiclescallsforahigherrequirementsfortheenergydens

7、ityandchargingspeedoflithiumionbatteries,whichhasgreatlypromotedtheresearchers’studiesonthematerialswithhighspecificenergyandhighspecificpower.Atpresent,therearehiddendangerswiththecommercialgraphitenegativematerialsduringtheprocessoffastcharginganddischarging,whileTiO2isapromisingn

8、egativematerialbeca