碳掺杂TiO2复合纳米材料的制备及锂电性能研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:aaajansen
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TiO2材料在锂离子嵌入/脱出过程中体积膨胀小、循环稳定性好、绿色安全是一种备受关注的新型电极材料。但是TiO2的导电性能较差,提高二氧化钛负极材料电子导电率和锂离子扩散能力是该材料进一步推广应用的关键。对TiO2的研究,如形貌结构设计、制备方法的改善、材料改性等,旨在改善TiO2的导电性。另外引入导电性物质是提高TiO2材料导电性的主要方法之一,因此本文结合有序微球结构和有序多孔结构能有效提高TiO2锂电性能的特点,可控制备了导电物质掺杂的有序C@TiO2微球,有序多孔材料C/TiO2,同时制备了SnO2-C@TiO2复合纳米微球并探究其锂电性能。TiO2排列无序使锂离子的传递距离增长,为解决这一问题,使用有序的树脂(RF)微球为模板,合成了三维有序的C@TiO2微球和TiO2空心球薄膜材料,改善了TiO2材料的锂电性能。3D有序C@TiO2微球和空心TiO2微球在200 mA/g的电流密度下平均放电比容量分别为135.8 mAh/g和120 mAh/g,C掺杂使其比容量提高了13.17%,在1000次循环后,库仑效率高达98%;在1000 mA/g的电流密度下平均比容量分别为80m Ah/g和60 mAh/g,C掺杂使其比容量提高了33.33%,在1000次循环后,库仑效率在99%以上。当SnO2在完全锂化状态和析出状态之间转换时,诱发200%的体积变化,产生较大的内应力,材料结构破坏,使其容量迅速衰减。为解决此问题本文采用浸渍Sn4+的RF为模板合成了SnO2@TiO2和SnO2-C@TiO2核壳材料,用空心TiO2微球包裹SnO2,此空心内部空间可以有效缓冲Li+嵌入过程中产生的应力。SnO2@TiO2和SnO2-C@TiO2核壳微球在200 mA/g时比容量分别为153.3 mAh/g和202.5mAh/g,在100次循环后,库仑效率均大于99%。在1000 mA/g的时比容量分别为138 mAh/g和75.5 mAh/g,在500次循环后,库仑效率分别为98.94%和99.92%。为了改善TiO2纳米材料导电性差的问题,本文采用软模板法一步合成有序多孔的TiO2,并在其表面原位聚合沉积不同量的导电聚合物聚吡咯,制得PPy/TiO2,碳化制备具有高结晶化碳球掺杂的C/TiO2,探究不同聚吡咯含量和不同纳米碳球掺杂量对其锂电性能影响。PPy/TiO2在摩尔比为0.05(PPy:TiO2)时性能最优,进而碳化所得C/TiO2-1在同系列中性能最优。在200 mA/g的电流密度下比容量分别为162 mAh/g和166.94 mAh/g,相对于有序多孔的TiO2比容量分别提高了45.42%、49.86%,在100次循环后,库仑效率分别为99.24%、97.64%;在1000 mA/g的电流密度下比容量分别为122 mAh/g和119 mAh/g,比容量分别提高了16.34%、14.42%,在100次循环后,库仑效率均高达99.99%。
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