论文部分内容阅读
近年来,钛基纳米结构负极材料因其稳定的结构和较好的安全性等优点被学者们广泛关注。然而,二氧化钛和钛酸锂等传统钛基纳米材料依然存在有待进一步解决的关键科学问题,如质量比容量相对较低、体积比容量低、材料导电性和电池倍率性能较差等问题。提高电极材料的振实密度是提升电池的体积能量密度的重要手段之一,也是该材料大规模商业化应用的决定性因素之一。但是高振实密度负极材料通常存在尺寸大、比表面积小的缺点,这不利于离子和电子的快速迁移和电解液的充分浸润,难以在获得高能量密度的同时实现高功率密度,并保持较长循环寿命。本论文针对上述传统钛基纳米材料面临的容量小、振实密度低、倍率性能差的关键制约问题,提出开发高振实密度钛基双金属化合物作为前驱体,通过合理调控二次结晶过程,在二次颗粒中引入丰富的晶界和孔结构,成功开发了高容量、高倍率、高振实密度的NiTiO3和CoTiO3负极材料,较好地解决上述关键问题,实现了高倍率长寿命与高振实密度之间的平衡,为新一代长寿命高功率、高能量密度锂离子电池和钠离子电池电极材料的发展提供了重要参考。具体研究成果如下:（1）通过优化自组装过程,成功制备了六棱柱状镍钛双金属有机框架Ni-Ti-EG,并借助非原位透射电子显微镜深入探究了它的生长机理,进一步实现了制备过程的目视辅助质量监控;经过对前驱体热分解过程的研究发现在600℃空气条件下可获得富晶界高振实密度(2.5g cm-3)的介孔NiTiO3微棱柱材料,丰富的晶界和介孔结构使其在高堆积密度的情况下仍然具有较高的电荷传输速率和离子扩散速率。作为锂离子电池和钠离子电池的负极活性材料,NiTiO3表现出优异的倍率性能和循环稳定性。例如,在0.5 C下,其首圈储锂放电容量可达562 mAh g-1,且在10 C条件下循环1000圈后依然具有60.4%的容量保持率。（2）采用上述合成方法成功制得新型钴钛双金属有机框架Co-Ti-EG,并以其为前驱体开发了振实密度为1.8 g cm-3的无碳CoTiO3多孔微棱柱材料,将其应用于锂离子电池和钠离子电池的负极,均获得了较好的倍率性能和循环稳定性。经过对比发现,双金属有机框架材料衍生法得到的CoTiO3的具有比NiTiO3更大的孔径,更有利于Na+脱嵌;又因本身禁带宽度比NiTiO3低,导电性较好,因此储钠性能优于NiTiO3,以及目前报道的TiO2、钛酸盐和它们的碳复合材料;在0.5 C、1 C、5 C、10 C的倍率下循环200圈后容量保留率分别为72.2%、81.6%、86.5%、94.5%,甚至在10 C条件下循环1000圈后依然保留90.3%的超高比容量。