多层次结构金属氧化物纳米材料的溶剂热合成及在锂离子电池中的应用

摘要

锂离子电池因为比容量高、工作电压高、能量密度大、污染小等优点已经被广泛应用在可携带式电子设备、混合动力汽车、以及电动汽车等领域。目前商用的锂离子电池主要采用石墨作为负极材料。但石墨由于嵌锂电位较低，容易产生锂枝晶而存在较大的安全隐患；同时石墨电极的比容量较低而无法满足产业发展要求。因此，寻找可替代石墨，具有更高比容量和能量密度、并且循环稳定、安全性好的新一代负极材料已经成为目前锂离子电池领域的研究热点之一。与石墨材料相比，二氧化钛因嵌锂电位相对较高而具有优越的安全稳定性，同时因二氧化钛价格低廉、来源广泛、结构稳定性好、体积应变小等特点，具有成为下一代锂离子电池负极材料的潜力。但是，由于二氧化钛自身导电性较差、锂离子传输性能不佳，致使充放电过程中难以实现其理论比容量而限制其在负极材料上的应用。目前，主要通过将二氧化钛纳米化或与石墨等导电材料复合的方法来改善材料的导电性。设计二氧化钛/碳纳米多层次复合材料一方面能通过将材料纳米化而缩短锂离子传输路径，提升传导能力，另一方面碳能够提供导电基质，达到改善二氧化钛自身导电性不足的目的。
　　在此思路下，本论文的主要研究内容包括：
　　1.采用N，N-二甲基甲酰胺为溶剂，聚苯乙烯为反应模板和碳源，以四异丙醇钛为二氧化钛前驱体，在浓盐酸作用下，聚苯乙烯发生相分离原位形成聚苯乙烯胶体粒子，并在溶剂热的辅助下形成二氧化钛/聚苯乙烯复合微球，通过氩气气氛煅烧，制备得到形貌均一、可控，多层次结构的二氧化钛/碳复合微球。研究发现，多层次的二氧化钛/碳复合微球具有很高的振实密度，同时，与纯的二氧化钛微球相比，二氧化钛/碳复合微球的质量比容量、循环稳定性、倍率性能都有很大的提高。此外，惰性气氛煅烧下所制备的二氧化钛/碳复合微球可以通过进一步空气气氛退火处理调控其碳含量，从而得到具有不同碳含量的二氧化钛/碳复合微球。本文对二氧化钛/碳复合微球的形成机理、形貌结构、以及锂电性能进行了深入系统的研究。此外，作为拓展性研究工作，还进一步研究了二氧化钛/碳复合微球光照催化产氢性能。
　　2.采用1,4-二氧六环作溶剂，四异丙醇钛作为二氧化钛前驱体，通过改变体系中的浓盐酸的浓度，在溶剂热条件下，通过无模板法合成纳米颗粒构成的微球，纳米棒和纳米颗粒构成的复合微球，纳米棒构成的微球，纳米棒构成的簇等四种微纳结构。通过空气气氛煅烧，可得到相应形貌的结晶二氧化钛微纳结构。本论文对无模板法条件下二氧化钛多层次结构形貌演变机理进行了深入探讨；在此基础上，研究了不同形貌的二氧化钛多层次结构的锂电性能和光照催化产氢性能；并对结构-性能关联性进行了初步讨论。

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引言

1 绪论

1.1 锂离子电池发展史

1.2 锂离子电池结构和工作原理

1.2.1 锂离子电池结构

1.2.2 锂离子电池的工作原理

1.3 锂离子电池负极材料的研究现状

1.3.1 嵌入/脱出式锂离子电池负极材料

1.3.2 合金/非合金化锂离子电池负极材料

1.3.3 转换型锂离子电池负极材料

1.4 选题意义与研究内容

1.4.1 选题意义及研究目的

1.4.2 研究内容及创新点

2 实验与测试方法

2.1 实验原料

2.2 研究方案

2.3 材料结构的表征方法

2.3.1 扫描电子显微镜

2.3.2 透射电子显微镜

2.3.3 X射线衍射

2.3.4 X射线光电子能谱

2.3.5 比表面及孔径分布分析

2.3.6 热失重分析

2.3.7 拉曼光谱分析

2.3.8 紫外-可见反射吸收分析

2.4 材料性能的表征方法

2.4.1 材料的锂离子电池性能表征方法

2.4.2 材料的光催化性能表征方法

3 PS为模板的多层次结构TiO2/C微球的溶剂热合成及性能研究

3.1 以PS为模板的多层次结构的TiO2/C微球的溶剂热合成

3.1.1 实验过程

3.1.2 结果与讨论

3.1.3 本章小结

4 无模板法溶剂热合成多层次结构的TiO2及性能研究

4.1 无模板法溶剂热合成多层次结构的TiO2

4.1.1 实验过程

4.1.2 结果与讨论

4.1.3 本章小结

5 结论

参考文献

在学研究成果

致谢