Fe2Ti3O9固溶体的制备、形貌控制及其储锂性能的研究
研究人员积极开发、研究新型的锂离子电池负极材料，以期获得高容量、循环稳定且安全性能可靠地理想材料。减小材料的尺寸、增大其表面积，制备特殊结构的负极材料（空心纳米管、薄膜、纳米线等），可以一定程度上增加锂离子的脱嵌量，从而提高材料的电化学性能。
本文通过水热法制备了Fe2Ti3O9固溶体材料，并研究了其电化学储锂性能;采用强碱溶剂热法将Fe2Ti3O9固溶体材料进行处理，制备了片状和纳米棒状的材料，并进一步探讨了样品形貌的转变机理和电化学储锂性能;采用不同比例的导电剂添加量，考察了导电剂对负极材料电化学性能的影响。
研究表明Fe2Ti3O9固溶体材料第50次的放电比容量为334.6mAh/g，充电比容量为330.7mAh/g，库仑效率为98.8％;经50次循环后，仍有93.7％的充电比容量保持率，平均每次循环衰减仅为0.446mAh/g。该电极在循环50次后仍有330.7mAh/g的充电比容量，远高于TiO2的比容量（理论值为168mAh/g），这就说明氧化铁已经充分发挥了其高比容量的性质。
通过控制水热温度不变(200℃)，改变反应时间(12h、24h、36h、48h)，制得了一系列样品，对其进行测试发现:随着反应时间的提高，样品的形貌由原来的颗粒先熔并为片状，然后形成片层组装成的球状结构，继而长大为棒状结构，最后棒状结构熔并、重新分化形成纳米棒。电化学性能测试表明，经过200℃12h和24h碱处理的样品稳定比容量明显高于碱处理之前的比容量，这是因为碱处理后固溶体形成了片以及由片组装成的棒和球，部分球为中空结构，增大了比表面积，故容量有所提高。而经过200℃36h和48h碱处理样品的稳定比容量略低于碱处理之前固溶体的比容量，这是因为碱处理后固溶体形成了直径较大的杆，不利于锂离子的嵌入和脱出。
通过控制水热反应时间不变(48h)，改变反应温度(140℃、160℃、180℃、200℃)，将所得的样品进行表征，得到如下结论:温度升高，材料的形貌由片状逐渐向纳米棒状转变。电化学测试表明，140℃48h和200℃48h的样品稳定性很好，比容量较其他样品略低，这是由于140℃48h的样品堆垛密度大，200℃48h的样品中纳米棒较厚且为实心，都不利于锂离子的嵌入与脱出。而160℃48h和180℃48h的样品中有部分纳米线存在，在一定程度上增加了片层之间的距离和样品的比表面积，所以其比容量相对高一些。
考察了导电剂（乙炔黑）的添加量对活性物质电化学容量的影响，发现当乙炔黑的添加量从10％增加至35％时，样品的容量提高了200mAh/g，比理论容量高出约150mAh/g，充分说明了乙炔黑的作用是提高材料的导电率，使活性物质能够释放出更多的容量。
锂离子电池;负极材料;形貌控制;Fe2Ti3O9固溶体材料;储锂性能
北京化工大学
硕士
材料科学与工程
宋怀河
2012
中文
TM264;TM912.9
100
2012-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）