鋰離子電池負(fù)極材料TiNb2O7的制備及摻雜改性研究.pdf

1、電動機車的逐漸興起和電子產(chǎn)品市場的迅速擴大對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，但其175 mAh/g的低理論比容量限制其作為動力電池的材料。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膜形成的同時提高了材料的能量密度，在1.

2、0 V~2.5 V進行充放電，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對材料的摻雜改性入手，結(jié)合第一性原理計算來改善材料的性能。
　　首先對比了固相法、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)后比容量僅剩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的大倍率長循環(huán)測試結(jié)果與1 C的測試結(jié)果較一致，

5、Ti0.9Nb2.1O7材料的容量保持率最高，1000次循環(huán)后相對于最高可逆比容量的保持率為89.42%。進一步提高Nb的含量，采用溶膠凝膠法制備了非化學(xué)計量比化合物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，歸功于納微分級結(jié)構(gòu)在大倍率下更能發(fā)揮材料性能。
　　第一性原理計算結(jié)果表明在TiNb2O7材料中摻入少量的Nb和合成不