钛基氧化物复合材料的构建及其储锂性能研究
新能源储存技术可以实现可再生能源的储存和转换，是应对化石燃料持续消耗引发的能源危机和环境问题的有效策略。锂离子电池由于高能量密度、长循环寿命、无记忆效应和环境友好等优点在众多的储能装置中脱颖而出，成为当前使用最为广泛的能量储存和转化设备。随着更高续航能力的新能源汽车和智能电网等领域的兴起，锂离子电池储能技术需要进一步发展和创新。锂离子电池的电极材料是决定其储锂性能的关键因素之一。传统的石墨负极存在安全问题以及较差的倍率性能，因此开发高性能的负极材料逐渐成为研究热点。钛基氧化物由于具有较好的结构稳定性和较高的安全性能，成为动力锂离子电池理想的候选负极材料，然而，较差的电导率阻碍了其实际应用。为了解决上述问题，本论文制备了一系列钛基氧化物复合材料，合理设计复合材料结构，通过与碳材料复合、表面均匀碳包覆以及引入第二相对钛基氧化物进行修饰，从而改善体系电导率、获得具有优异电化学性能的锂离子电池负极材料。此外，对制备的系列钛基氧化物复合材料进行了系统的材料表征和电化学表征并详细探讨了材料结构与电化学反应之间的影响关系。 采用溶剂热法结合超临界流体技术制备了Li4Ti5O12/TiO2两相复合材料。复合材料中Li4Ti5O12和TiO2两相间的丰富界面不仅连接了锂离子传输的通道，还增加了额外的储锂位点。此外，复合材料中减小的颗粒尺寸缩短了锂离子传输的路径，增多的氧空位促进了锂离子的快速嵌入/脱出。独特的混合溶剂热反应过程造成Li4Ti5O12和TiO2原位复合，两者之间的强化协同作用使复合材料表现出提升的倍率和循环性能。Li4Ti5O12/TiO2电极材料在100mAg-1的电流密度下，首次放电容量为191mAhg-1;在1600mAg-1的电流密度下，可逆容量达到154mAhg-1。在1000mAg-1的电流密度下经过500圈循环后容量为142mAhg-1，容量保持率达到90.7％。 采用一步法以沥青为碳源制备了Li2TiSiO5/软碳复合材料。复合材料中互连的软碳骨架成为Li2TiSiO5颗粒之间的中介，连接了锂离子传输的通道。减小的颗粒尺寸可以缩短锂离子传输的路径，增大的比表面积则有利于锂离子在电极与电解质界面处的迁移。一步法制备过程造成Li2TiSiO5合成和软碳生成同时发生，两者之间的电子相互作用使复合材料产生更多的自适应氧空位，有效提升了电导率。一步合成过程中Li2TiSiO5和软碳在更小尺度原位复合，构建的独特结构和两者之间的协同作用使其表现出优异的容量性能、循环性能和倍率性能。Li2TiSiO5/软碳电极材料在100mAg-1的电流密度下，首次放电比容量为443mAhg-1;在1600mAg-1和3200mAg-1的较高电流密度下，可逆容量分别达到165mAhg-1和127mAhg-1。在500mAg-1的电流密度下循环充放电1500次，仍具有273mAhg-1的可逆容量。 构建了具有稳定异质界面的Li2TiSiO5@C复合材料，重点探究了不同热处理温度下复合材料结构和组分对电化学性能的影响。复合材料中厚度均匀的连续碳薄膜层为锂离子的传输和扩散提供了稳定的通道，促进了锂离子脱嵌锂过程以及加快电化学反应速率。同时，碳薄膜层可以削弱电极材料与电解质之间的界面副反应。更重要的是，热处理温度可以影响复合材料中氧空位浓度和碳薄膜保护层的缺陷程度。适宜的热处理条件可以使Li2TiSiO5@C复合材料构建最优的界面，从而降低界面传输电阻，促进锂离子在电极-电解质界面处的传输。Li2TiSiO5@C复合材料表现出优化的储锂性能，在100mAg-1的电流密度下循环500圈之后的储锂容量为345mAhg-1，在500mAg-1的电流密度下循环充放电1100次，仍具有210mAhg-1的可逆容量。在1600mAg-1和3200mAg-1的较高电流密度下，可逆容量分别达到197mAhg-1和149mAhg-1。
锂离子电池;负极材料;钛基氧化物;储锂性能
山东大学
博士
材料物理与化学
陶绪堂;李博
2021
中文
TM912.9
2021-08-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）