锂离子电池负极材料TiO2纳米管阵列和TiO2@Si薄膜的制备及电化学性能分析.pdf

摘要 摘要 随着各种便携式电子设备的广泛应用，以及近年来研究技术以及应用领域 (如电动汽车和智能电网等)的拓展，开发高能、安全、低廉、环保的电池材 料成为锂离子电池发展的关键。现在商业化的锂离子负极碳材料由于存在着容 量低、安全性能差等问题，不能满足交通工具与智能电网储能用电池高容量、 长寿命的要求。Ti02由于具有较高的嵌锂电位避免了锂枝晶的生成，大大提高了 电池的安全性能，且具有循环性能好、环境友好和价格低廉等优点，使其成为 动力锂离子电池负极材料关注的焦点，但较低的容量制约了其应用。为了满足 高能量电源的需求，研究人员不断的探索高储锂量的新型负极材料，Si具有很高 的理论容量(4200 mAh·g-1)，是目前较理想的锂离子电池负极材料之一，但存在 利用率低、极化大、循环寿命短等问题。针对以上两种热点材料存在的问题， 论文开展了Ti02纳米管阵列结构和Ti02@Si薄膜制备、表征及电化学性能研究， 并对二者的电极动力学进行了较全面的探讨，研究结果如下： (1)采用阳极氧化方法制备了微米级、高度整齐有序的Ti02纳米管阵列， 作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试。结果表明：首次嵌锂容量为73．3 能优异，且充放电库仑效率均在95％以上。由循环伏安曲线法计算出该材料的 锂离子扩散系数为I)=-7．7xlo．9锄2·s一。通过电化学阻抗法，得出电极反应中电 ld·mol以 子传输的表观活化能为Ea=58．4 (2)采用高真空磁控溅射法在已制备的Ti02纳米管阵列上沉积Si薄膜， 通过XRD、SEM、TEM和TEAMEDX等测试手段对合成的Ti02@Si薄膜的 结构、组成和形貌进行表征。利用恒电流充放电、CV、EIS等手段测试了此负 极材料的电化学性能。以20衅·cm之充放电时，Ti02@Si薄膜首次放电容量为 175．6出蛐·cm．2，循环100圈后，放电容量为84．6刖也-cm。2。电化学研究结果表 明，Ti02的管状结构，很好地改善了硅负极材料的循环性能。通过循环伏安曲 线计算得到TiGl2@Si薄膜中锂离子在Ti02纳米管阵列和硅中的扩散系数分别为 7．7x1000 1．9 kJ·mol以和57．3kJ·mol～。 Si嵌锂和Ti02纳米管嵌锂的表观活化能分别5 摘要 关键词：锂离子电池，二氧化钛，纳米管阵列，硅薄膜，负极材料 Abstract Abstract With of market the portabledevices，the widespreadpopularity power rapid ofelectricvehiclesand ofelectrodematerials penetration smart鲥d，thedevelopment withlow andenvironmental cost,highenergy safety friendlinesshas density,high becomethefocusoflithium—ion traditionalanodein batteryindustry．Thegraphite commerciallithium-ionbatteriesisnOW a in the facingbigchallengesat