自组装中孔材料合成及其应用于锂离子电池电极性能研究

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1、自组装中孔材料合成及其应用于锂离子电池电极性能研究杜现礼，吕树申*(中山大学化学与化学工程学院广州510275)摘要获得高功率和高能量密度的电池装置是解决电子装置尤其是电子交通工具和一些便携式电子装置的能源问题的重要方法。锂离子电池是20世纪90年代发展起来的新型二次电池。将具有规整纳米中孔孔道的新型材料应用为锂离子电池正极材料，由于其特殊的结构特性，可以获得高的能量密度和循环充放电性能。本文用蒸发诱导自组装方法合成了二氧化钛中孔材料。XRD测试表明材料具有明显的锐钛矿晶型结构。微孔分析表明材料中的孔径高度集中在52.3A左右。但是从TEM图看不到规整的孔道排布。通过实

2、验，本文探讨了合成过程中对中孔材料结构影响的各种因素。在理论上，本文对规整的中孔材料作为正极材料的作用原理作了机理分析。关键词：自组装；中孔材料；锂离子电池；正极材料1、前言随着科学技术的不断发展以及人类社会的不断进步，人们对能源的需求越来越大，同时由于能源而带来的环境问题也日益引起人们的关注。有关能源的研究一直是众多学者坚持不懈的努力方向，也是国家乃至世界科研经费重点投入的方向。电池作为生活中最为常用的能源，随着电子产品的发展，在生活中扮演了重要的角色。解决环境问题的关键在于电动交通工具的应用，这样对电池的功率以及电流密度提出了更高的要求。锂离子电池是目前应用最为广泛

3、的电池，因为其洁净无污染，循环充放电性能高，具有很高的电流密度和功率。对于锂离子电池的改性研究很多，包括电极材料的改性，电解质溶液的研究，以及隔膜的改进等。目前主流的锂离子电池正极材料，包括氧化钴锂、氧化镍锂、氧化锰锂以及一些铁或钒的氧化物。这些金属氧化物都有其不同的优缺点[1]，对他们的改进也有很多的学者在研究。后来人们便发现不同金属氧化物搀杂后，对性能带来一些改进，如分别在LiCoO2和LiNiO2中掺杂适量的镍和钴合成固溶体材料LiNixCo1-xO2[2]。其中x为取值范围在0~1。在搀杂改性上的研究很多，基本是在金属比例上的变化[3]-[5]。通过在这种比例上

4、的不同，获得不同结构性能的一些改进。分子自组装是通过非共价相互作用，如范德华力、氢键、离子相互作用力，分子之间自发组合形成的一类结构明确、稳定且具有某种特定功能或性能的分子聚集体或超分子结构。按照国际纯粹与应用化学协会（IUPAC）的定义：中孔材料（mesoporousmaterials）通常是指孔径为2－50nm介于微孔、大孔之间的材料。由于二氧化钛在催化，光催化，电池，传感器等方面有广泛的应用价值，所以在MCM－41出现后，很多的研究者希望能够研制出孔壁为二氧化钛的中孔材料。04年日本有一研究组在过渡金属钛、锆、铜、锰、锡钨等前驱体中，掺杂三乙基氧磷，制出孔壁主要为

5、过渡金属氧化物晶体，玻璃态的五氧化二磷掺杂其中，中孔排列高度有序的材料[6]。方法可以广泛应用制成孔壁为_______________________________基金项目：中山大学化学与化学工程学院第六届创新化学实验与研究基金项目（批准号：200620）第一作者：杜现礼（1984年出生），男，中山大学化学与化学工程学院化学工程与工艺专业2002级指导教师：吕树申 Email:lvshsh@mail.sysu.edu.cn晶体状态的各类不同元素过渡金属氧化物。其中少量掺杂（摩尔量约为5%）的玻璃态的五氧化二磷有胶连、防止孔壁塌陷的作用。材料结构如下图Ⅰ所示[6]：图Ⅰ

6、CGMN结构示意图FigureⅠTheskechmapoftheCGMN由于这种特殊的结构，将它应用在锂离子电池电极上，有利于锂离子的嵌入和脱出，很大程度上提高了电池的比电流密度，有着很好的应用前景[7]。因此，本实验将探索利用蒸发诱导自组装方法来合成具有规整中孔结构的新型材料，目的在于提高锂离子电池的循环充放电性能以及功率和能量密度。并对这个过程的原理作初步探讨。由此可见，纳米中孔材料在电极上的应用研究是十分具有现实意义的。本课题的创新点在于：a、制备性能优异的中孔材料。在实验过程中，对影响实验的各个因素进行探索。b、理论分析纳米中孔锂离子正极材料的作用机理。2、实验

7、2.1实验试剂表Ⅰ实验试剂表样品名称生产厂家规格钛酸四异丙酯江苏省仪征市天扬化工厂化学纯无水乙醇广州化学试剂厂化学纯盐酸广州东红化工厂分析纯去离子水中大化学实验室电导率＜0.5μS·cm－1氯化铜天津市福晨化学试剂厂分析纯三乙基氧磷Aldrich97％P123Aldrich试剂型2.2实验过程0.50gP123（MW≈5820）溶于5.00g无水乙醇中，用玻璃棒搅拌得到无色透明溶液。转移到250ml圆底烧瓶中。搅拌5分钟后，向溶液中加入1.25g钛酸四异丙酯（TTIP，MW=284）。P123：TTIP=0.02：1。0.5mol/L的盐