基于发泡剂分解调控制备TiO2/碳纳米纤维复合材料及电化学性能研究

摘要

目前，在传统锂离子电池电极中集流体、导电剂与粘结剂等非电极活性成分占整个电极质量的40％以上，然而，上述物质对电极电化学储能性能的贡献微乎其微，极大的减小了电极的质量比容量。因此，为了提高电池的能量密度，研究者们尝试制备免支撑锂离子电池电极。静电纺丝法的一种简单有效的纳米纤维制备方法，在制备免支撑锂离子电池负极方面表现出巨大的潜力。并且，静电纺丝法制备电极的电化学性能还有很大的提升空间，包括对导电性和比表面积的提升，对纳米结构的微观调控等多种改性方式。然而，目前改性方法中对于同步提升导电性和比表面积对电极材料电化学性能影响的研究较少，并且纳米结构微观调控所采用的工艺过程相对静电纺丝法也较为复杂，不利于推广应用。因此，本课题欲通过对静电纺丝法制备二氧化钛(TiO2)@碳纳米纤维免支撑电极复合材料，并使用发泡剂对其进行改性，以达到增强复合材料导电性，提高比表面积与调控微结构的目的，最终实现电化学性能的进一步提高。本文主要包括以下内容: (1)通过将不同质量比例的偶氮二甲酸二异丙酯引入静电纺丝液，实现了对TiO2@碳纳米纤维复合材料中的氮元素掺杂和比表面积的同步提升，改善了复合材料的导电性，并增加了锂离子反应的活性位点，最终实现复合材料电化学性能的提升。在经优化的发泡剂添加比例下，复合纤维材料的氮含量从7.18％增加到10.21％，同时实现了比表面积也从72.66m2 g-1到111.15m2 g-1的增加，两者的协同作用赋予了材料优异的电化学性能。在电流密度为100mA g-1时，比容量达到336mAh g-1。为了进一步研究样品中电化学动力学的改变，用能量定律进一步分析了发泡剂添加前后的样品中锂离子储存机理的不同。结果表明，电极中赝电容的容量贡献占比从60.8％降低到47.4％，证明发泡剂的加入使材料中扩散容量的占比增加。 (2)通过甜菜碱对二氧化钛纳米颗粒进行改性，并且采用静电纺丝法制备TiO2@聚丙烯腈复合纤维膜，结合高温碳化的方法，制备了具有均匀“种子”形貌结构的TiO2@碳纳米纤维膜。在高温作用下，甜菜碱不仅可以通过分解产生的气体驱动TiO2纳米颗粒向纳米纤维表面迁移，而且作为氮元素的前驱体掺杂在复合材料中。同时，碳纳米纤维由于甜菜碱的分解变为多孔结构。该复合材料作为锂离子电池负极表现出优异的电化学性能，在电流密度为100mA g-1时，经过100次循环后，放电比容量稳定在322mAh g-1。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题研究背景

1．2锂离子电池简介

1．2．1锂离子电池的发展

1．2．2锂离子电池工作原理及主要组成

1．3锂离子电池负极材料

1．3．1锂离子电池负极材料的分类

1．3．2钛基负极材料及其改性

1．3．3碳纳米材料

1．4静电纺丝法

1．4．1静电纺丝技术

1．4．2静电纺丝技术制备碳纳米纤维

1．4．3静电纺丝技术在能量存储方面的应用

1．5本课题的研究背景及主要内容

第二章实验材料及测试原理

2．1．1实验主要试剂

2．1．2实验设备及仪器

2．2材料的表征方法

2．2．2 TiO2@CNFs复合材料的结构表征

2．2．3 TiO2@CNFs复合材料的电化学性能表征

第三章氮掺杂和高比表面积TiO2@CNFs复合材料的制备与电化学性能

3．1研究背景

3．2 TiO2@CNFs复合材料的制备

3．3 TiO2@CNFs复合材料的结构形貌

3．4 TiO2@CNFs复合材料的电化学性能表征

3．5本章小结

第四章“种子”结构TiO2／碳纳米纤维复合材料制备及电化学性能

4．1研究背景

4．2 S-TiO2@PCNFs纳米纤维复合材料的制备

4．3 S-TiO2@PCNFs纳米纤维复合材料的结构形貌表征

4．4 S-TiO2@PCNFs纳米纤维复合材料的电化学性能研究

4．5本章小结

第五章结论与展望

5．1结论

5．2展望

参考文献

论文及参加科研情况

致谢