纳米二氧化钛负极材料的制备及其电化学性能研究

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1、纳米二氧化钛负极材料的制备及其电化学性能研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：材料学院学科：材料科学与工程研究生：李勇指导教师：贺艳兵副研究员二○一七年五月SynthesisandElectrochemicalPerformanceofNano-sizedTiO2AnodeMaterialsThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinMaterialsScienceandEngineeringbyLi

2、YongThesisSupervisor:AssociateProfessorHeYan-BingMay,2017摘要摘要二氧化钛作为一种非常有前景的锂离子电池和钠离子电池的负极材料，不仅来源广泛、成本低、化学性质稳定，而且在充放电过程中体积变化比较小（小于4%）+并且拥有较高的锂离子嵌入/脱嵌电位（1.7VvsLi/Li），因此二氧化钛负极材料具有非常优异的循环可逆性、安全性和快速充放电性能。然而，二氧化钛负极材料的离子电导率和电子电导率都比较低，还不足以满足高能量密度电池的要求。本文采用简易的方法（水热或水解法）合成了三种不同形貌结构的二氧化钛纳米材料，并对它们

3、的锂离子和钠离子的传输和存储特性进行了表征。论文首先通过一个简单的氮化钛水解过程制备了一种高振实密度的锐钛矿二3氧化钛球（1.06g/cm），发现这种二氧化钛球不仅尺寸和孔径分布可以调控，而且具有优异的锂离子和钠离子存储性能。更重要的是，二氧化钛球的尺寸和孔径分布对其锂离子和钠离子存储性能有及其重要的影响。锂离子的存储和运输性能主要取决于二氧化钛球的尺寸和微孔的分布及体积。相比之下，钠离子的存储和运输性能主要依赖于具有大的宏观孔体积且结构松散的二氧化钛纳米球，这种结构有利于钠离子的传输和存储。具有高振实密度的二氧化钛纳米球具有优异的锂离子电池（1C电流密度下比容量达

4、到189mAh/g，循环100圈后容量保持率达88.1％）和钠离子电池（1C电流密度下比容量达到184mAh/g，循环200圈后容量保持率达90.5％）性能。其次，为了进一步降低二氧化钛纳米材料的制备成本，论文发展了一种低温o制备结晶性二氧化钛的方法。发现在氮化钛水解过程中，在冰乙酸的诱导下80C下反应一段时间即可制得锐钛矿二氧化钛介晶，而不需要后续的高温热处理。通过调节冰乙酸含量和反应时间能够精细地调整二氧化钛介晶的尺寸和结晶度。在优化结晶性二氧化钛制备工艺的同时，这种二氧化钛介晶材料具有优异的储锂性能（1C电流密度下的比容量达到180mAh/g，循环100圈后容

5、量保持率达92.9％）。最后，基于氮化钛纳米粉末的水热反应，制备出了一种不需引入外来添加剂即可实现氮掺杂的二氧化钛纳米棒（金红石相）。其中，二氧化钛纳米棒的长短和粗细可以通过调控水热溶液的成分配比来调节。而当盐酸浓度为2.4mol/L时，二氧化钛纳米棒负极材料的电化学性能最为优异，循环400圈后容量几乎没有衰减。同时在二氧化钛纳米棒的制备过程中，引入多壁碳纳米管进行修饰，提高了二氧化钛纳米棒在长循环过程中的比容量。关键词：二氧化钛；锂离子电池；钠离子电池；冰乙酸；氮化钛IAbstractAbstractTitaniumdioxide(TiO2)asaveryprom

6、isinganodematerialoflithium-ionbattery(LIB)andsodiumionbattery(SIB),isnotonlyabundant,lowcostandstable,butalsohassmallvolumechangeintheprocessofcharge(lessthan4%)anddischargeaswell+ashighlithiumioninsertion/extractionpotential(1.7VvsLi/Li).Thus,theTiO2anodematerialshaveveryexcellentcyc

7、lereversibility,safetyandcharge/dischargeperformance.However,theionicconductivityandelectronicconductivityofTiO2anodematerialsarerelativelylower,whichcannotmeettherequirementsofhigh-energydensitybatteries.Inthispaper,threekindsofTiO2nanomaterialswithdifferentmorphologiesweresynthesiz