锂离子电池负极材料TiO2与TiO2/GO的制备及电化学性能研究

摘要

目前，锂离子电池在便携式电子产品中得到广泛地应用，负极材料常用的是石墨，但是在过充电的情况下存在安全隐患。并且随着混合动力汽车、纯电动汽车以及其他高能量储能设备的应用，对锂离子电池的性能提出更高的要求，因此，需要寻找可以代替传统石墨的新负极材料。二氧化钛（TiO2）对环境友好，成本低廉、在锂离子嵌入/脱出的过程中结构稳定，以及可以避免金属锂的沉积具有更高的安全性，在高能量储存中具有很大的发展潜力。但是TiO2作为锂离子电池负极材料，存在电子导电性和锂离子扩散性不佳的缺点，为了弥补这两点不足，本文从微观结构以及与导电性好的材料复合的角度出发，设计合成了中空十面体锐钛矿TiO2和纳米棒自组装金红石型TiO2球。以及通过溶剂热法分别制备了两种结构不同的TiO2/氧化石墨烯（GO）复合材料。分别研究了他们的储锂性能，主要研究结果如下：
　　（1）当HF加入量为0.09mL时，成功通过水热法制备出具有（001）晶面的中空十面体锐钛矿TiO2。中空十面体锐钛矿TiO2展现出优异的电化学性能，0.1C下首次放电比容量为196.4mAh·g-1，首次不可逆损失仅为13.29％，表现出良好的结构稳定性。
　　（2）为了提高锂离子扩散率，采用低温水热法一步合成纳米棒自组装的金红石型TiO2微球，纳米棒的直径为40-50nm，球型结构的直径为30-40μm。本论文提供了一种低温一步合成金红石型TiO2分级结构的方法，该方法操作简单、条件温和、时间周期短。作为锂离子电池负极材料，在0.1C条件下首次放电比容量为187.6mAh·g-1。
　　（3）本论文为了提高TiO2的导电性，将其与氧化石墨烯复合，采用乙醇为溶剂热体系，制备出了两种不同结构的TiO2/GO复合材料。成功合成了三维结构的TiO2/GO复合物（3DTG），电化学性能测试中3DTG比商业二氧化钛P25表现出更高的比容量，0.1C下3DTG首次放电比容量为192.6mAh·g-1，P25为134.0mAh·g-1。以及合成出的为二维片状的TiO2/GO复合物（TG），TiO2粒径为20-30nm。在0.1C倍率下，TG首次放电比容量为280.5mAh·g-1，表现出高的比容量。