二氧化钛基自支撑电极的合成及其储能应用

• 作 者: 陶威
• 出 处: 电子科技大学
• 发表日期: 2020年07期
• 关键词: 锂离子电池 负极材料 二氧化钛 微弧氧化 多孔涂层 表面改性

锂离子电池因为工作电压高、循环寿命长、能量密度大、自放电小、无记忆效应等突出优点几乎涉及各个领域,尤其是移动消费类电子产品。负极作为锂离子电池重要的一部分,直接决定了锂离子电池的性能。传统的锂离子电池负极制备工艺复杂,耗时长,活性物质只占电极的60-90%,且粘结剂阻碍了锂离子扩散通道,进而影响电化学性能。二氧化钛（TiO₂）廉价,稳定,安全,嵌入和脱出锂离子体积变化小,被认为是具有极大发展前景的无添加剂负极材料。因此,本论文旨在钛箔上原位生长多孔TiO₂涂层,直接用作锂离子电池负极,并对其进行表面改性,缩短离子扩散路径,增加反应位点,进而提升储锂性能。首先,通过微弧氧化反应,在钛箔上原位生长多孔TiO₂涂层（¹μm）,丰富的孔结构有利于电解液的扩散,加速锂离子扩散到电极表面。此外,通过复合碳基导电材料,伴随着垂直生长在表面的纳米片,形成多孔分级结构,缩短离子传输路径,极大地降低了电化学阻抗。储锂性能容量提升了3倍,达到600 mAh cm^-3,接近的理论体积比容量638 mA h cm^-3,在循环1000圈后,库伦效率高达98%。研究发现,通过还原处理,在TiO₂晶格中引入氧空位,提升电子导电性,改善电化学性能。在此基础上,本论文采用水合肼作为还原剂,水热反应还原TiO₂。通过XPS和ESR分析,证明了氧空位的存在。制备的TiO_2-x涂层,表面生长出纳米颗粒,伴随着表面毛绒化。随着充放电反应的进行,纳米颗粒无裂纹和脱落,尺寸逐渐变小且均匀化,为其优异的循环性能提供基础。电化学测试表明TiO_2-x涂层的Rct降低一个数量级,首圈容量高达840 mAh cm^-3,且循环性能优异,在循环900圈后仍能维持520 mAh cm^-3的容量。为提高其倍率性能,本论文将TiO₂转化为钛酸锂（LTO）,同时为提高其导电性,在水热过程中引入碳源,经高温退火,一步达到相变和碳化的目的。较TiO₂涂层,在大电流下的充放电性能有了明显的提升。本论文结合微弧氧化和水热反应技术,发展了一种在合成方便、效率高、性能优越、稳定性好、环保、成本低、自支撑的锂离子电池负极,并对其进行多种改性研究,提升电化学性能,具有良好的发展前景。