一维纳米结构TiO2/碳纳米纤维复合材料的制备和作用锂离子电池负极材料的研究

摘要

随着数码科技推动着社会的信息化发展，人们迫切需要寻找可支持手机、相机、平板电脑等手持移动电子设备实现其功能化、便携化、小型化的新型可移动能源，因此，具有快速充放电能力、更高容量、更长寿命，且更安全环保的锂离子电池倍受各领域的关注，新型电极材料更是成为材料科学科研工作者的研究热点。
　　 二氧化钛纳米材料具有快速的充放电能力、良好的结构稳定性、环境友好性等优点，是一种很有应用前景的锂离子电池负极材料。为了克服二氧化钛纳米颗粒由于团聚、脱落、晶格失配等问题而造成其电化学性能上的局限性，近年来，研究学者们尝试使用不同的方法制备具有特殊结构和形貌的二氧化钛纳米结构材料，来提高其用作负极材料的储锂能力。其中，一维纳米结构的二氧化钛除了具有纳米材料的普遍优势之外，还具有一些独特的优点，如较短的径向电荷传输通道、更多的锂离子嵌入活性点等。1998年一维二氧化钛纳米管由Kasuga制备成功，近年来不同形态的一维纳米结构二氧化钛已经被制备成功，并验证了其在储锂领域所表现出的优越的电化学性能。为进一步提高容量、循环稳定性、快速充放电能力等，与其他性能良好的材料（如碳材料）复合，实现一维纳米结构二氧化钛的负载化，提高复合材料整体负极的电化学性能成为当前研究的热点。
　　 因此，本课题提出，借鉴传统的以辊筒接收的静电纺丝技术制备二氧化钛纳米颗粒/碳纳米纤维平行复合纤维膜，再进行水热处理，通过二氧化钛纳米颗粒的转移并参与化学反应，得到一维纳米结构二氧化钛/碳纳米纤维，并探讨制备工艺、组成结构、电化学性能三者之间的关系。为了研究不同一维纳米结构二氧化钛/碳纳米纤维的形态结构、化学组成、晶相结构以及力学性能、电化学性能等，使用了扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、热失重分析(TG)、伏安循环测试(CV)、交流阻抗测试(EIS)恒流充放电循环等手段，对其进行结构和性能的表征。研究结果表明本实验制备的一维纳米结构二氧化钛/碳纳米纤维复合材料中的二氧化钛的含量约为20％，以纳米管状、纳米线状和纳米管与纳米线并存的状态均匀分散于碳纳米纤维的表面和周围，碳纳米纤维为无定型态的石墨纳米纤维。一维纳米结构二氧化钛/碳纳米纤维复合材料表现了良好的电化学性能，其中由170℃水热法制备的样品的首次放电比容量和库伦效率高达1292.4 mAh·g-1和81.4％，在100次循环之后仍保持超过700mAh·g-1的容量，同时也表现了优越的大电流充放电性能。

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摘要

第一章 绪论

1．1 锂离子电池

1．1．1 锂离子电池的工作原理和研究发展

1．1．2 正极材料

1．1．3 负极材料

1．2 TiO2锂离子电池负极材料

1．2．1 TiO2的晶型结构和储锂特性

1．2．2 TiO2纳米颗粒的优势和局限性

1．3 一维纳米结构TiO2负极材料

1．3．1 一维纳米结构TiO2的特点

1．3．2 一维纳米结构TiO2的制备方法

1．3．3 一维纳米结构TiO2的复合改性

1．4 水热法制备一维纳米结构TiO2

1．4．1 水热法处理的反应原理和过程特点

1．4．2 水热反应条件的影响因素

1．5 二氧化钛／碳复合材料

1．5．1 TiO2负载基体的选择和负载方法

1．5．2 碳纳米纤维负载二氧化钛复合电极材料

1．5．3 静电纺丝法制备碳纳米纤维膜负载电极材料以及研究进展

1．6 本课题提出的目的和意义

第二章 实验部分

2．1 实验原料

2．1．1 实验试剂

2．1．2 电池原料

2．2 实验仪器

2．3 实验过程

2．3．1 纺丝液的配制

2．3．2 静电纺丝制备纳米纤维毡

2．3．3 纳米纤维的预氧化

2．3．4 碳化

2．3．5 水热处理

2．3．6 离子交换反应

2．3．7 脱水

2．3．5 参比样品的制备

2．3．6 电池的组装

2．4 实验表征测试

2．4．1 形貌与结构表征

2．4．2 晶型表征

2．4．3 化学组分分析

2．4．4 电化学性能表征

2．4．5 力学性能表征

第三章 一维纳米结构二氧化钛／碳纳米纤维的结构研究

3．1 表面形貌与内部结构的表征

3．1．1 原丝、预氧化丝及碳化丝

3．1．2 水热条件1

3．1．3 水热条件2

3．1．4 水热条件3

3．1．5 水热条件4

3．2 晶相结构分析

3．2．1 水热反应、离子交换反应、脱水过程中的晶相分析

3．2．2 不同水热处理条件所得一维纳米结构二氧化钛／碳纳米纤维样品晶相分析

3．3 组分含量分析

3．4 本章小结

第四章 多孔结构对水热处理过程的影响

4．1 由致孔剂PMMA导致的碳纳米纤维表面多孔对水热处理过程的影响

4．2 水热处理的浓碱和高温高压环境对水热反应的影响

4．3 本章小结

第五章 一维纳米结构二氧化钛／碳纳米纤维电化学性能研究

5．1 交流阻抗曲线分析

5．2 伏安循环测试分析

5．3 首次充放电曲线分析

5．4 充放电循环性能测试分析

5．5 不同样品的充放电循环测试后形貌分析

5．6 倍率性能测试分析

5．7 本章小结

第六章 一维纳米结构二氧化钛／碳纳米纤维力学性能研究

6．1 力学性能测试

6．2 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

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