鋰離子電池負(fù)極材料TiNb2O7的制備及摻雜改性研究.pdf

1、電動(dòng)機(jī)車的逐漸興起和電子產(chǎn)品市場(chǎng)的迅速擴(kuò)大對(duì)鋰離子電池的材料提出了高能量和高功率的需求，傳統(tǒng)碳材料與逐漸研究成熟的硅類、錫類材料都存在一些難以解決的問題，鈦酸鋰材料擁有優(yōu)異的倍率性能及平穩(wěn)的充放電電壓平臺(tái)，但其175 mAh/g的低理論比容量限制其作為動(dòng)力電池的材料。所以亟需尋找一種高能量和高功率的負(fù)極材料來滿足動(dòng)力電池的需要。
　　鈮酸鈦材料的鋰離子嵌入電位在1.64 V左右，避免了SEI膜形成的同時(shí)提高了材料的能量密度，在1.

2、0 V~2.5 V進(jìn)行充放電，有280 mAh/g的可逆容量，遠(yuǎn)超過鈦酸鋰的理論比容量，其優(yōu)異的性能已引起國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者的注意，但其差的導(dǎo)電性問題仍待解決，本文從制備方法和CNT(碳納米管)、Nb對(duì)材料的摻雜改性入手，結(jié)合第一性原理計(jì)算來改善材料的性能。
　　首先對(duì)比了固相法、液相法和溶膠凝膠法合成的鈮酸鈦材料的性能，采用溶膠凝膠法合成的納微分級(jí)結(jié)構(gòu)的材料在1 C和10 C的倍率下循環(huán)100次的可逆比容量分別維持在230 mAh/

3、g和175 mAh/g左右。引入CNT后，液相法摻CNT5％的材料在0.1 C下循環(huán)100次，比容量由首次的212.8 mAh/g衰減到172.9 mAh/g，而純相材料100次循環(huán)后比容量?jī)H剩53.1 mAh/g。溶膠凝膠法制備的TiNb2O7@5%CNT復(fù)合材料在0.1 C循環(huán)的容量保持率為86.94%，1 C時(shí)為94.8%，比溶膠凝膠法制備的TiNb2O7材料的60.50%和89.20%都要高，CNT能夠在材料顆粒間形成導(dǎo)電骨架，

4、提升了材料的導(dǎo)電性，從而提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。
　　以Nb為摻雜源采用固相法合成的摻雜材料Ti1-xNb2+xO7(x=0.04,0.06,0.08,0.1,0.12,0.14)，材料形貌與 TiNb2O7材料類似，顆粒尺寸均勻且分散良好，其1 C的循環(huán)性能測(cè)試結(jié)果表明 Ti0.9Nb2.1O7材料的容量保持率最高，100次循環(huán)后仍然有171.78 mAh/g的可逆比容量，10 C的大倍率長(zhǎng)循環(huán)測(cè)試結(jié)果與1 C的測(cè)試結(jié)果較一致，

5、Ti0.9Nb2.1O7材料的容量保持率最高，1000次循環(huán)后相對(duì)于最高可逆比容量的保持率為89.42%。進(jìn)一步提高Nb的含量，采用溶膠凝膠法制備了非化學(xué)計(jì)量比化合物Ti1-xNb2+xO7(x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6)，材料由納米小顆粒聚集成微米級(jí)的大顆粒，在大倍率下的循環(huán)性能優(yōu)于小倍率，歸功于納微分級(jí)結(jié)構(gòu)在大倍率下更能發(fā)揮材料性能。
　　第一性原理計(jì)算結(jié)果表明在TiNb2O7材料中摻入少量的Nb和合成不