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基于离子液体TiO_2纳米晶的合成及其嵌脱锂性能研究

作　者: 李伟
导　师: 张乃庆
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 锂离子电池 TiO2 纳米晶离子液体电化学性能
分类号: TM912.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着能源与环境问题日益突出,电动汽车（EV）和混合动力汽车（HEV）的研究越来越受到世界范围内研究者关注。锂离子电池技术在EV和HEV中应用所面临的主要问题是快速充放电和安全性问题,限制其快速充放电性能的主要原因是锂离子在固相中扩散速率较低。TiO₂材料由于其较高的充放电电压、高化学稳定性、充放电过程“零”应变,且具备开放的嵌脱锂通道等特点,可实现快速充放电及满足安全性要求,成为一种新兴的动力锂离子电池负极材料。采用纳米材料可以有效的缩短锂离子迁移路径,增大电化学活性比表面,从而大幅度提升材料的快速嵌脱锂能力。近年来,离子液体在纳米材料合成中的应用日益增多,并显示出其相比于传统合成方法的突出优势。基于此,本文分别采用离子液体水解合成及溶胶-凝胶法合成TiO₂纳米晶,系统探讨了合成温度、辅助溶剂、阴离子种类、碳链长度等对合成TiO₂晶型及微观形貌的影响,并对合成的TiO₂纳米晶的电化学嵌脱锂性能进行了深入研究。此外,为改善TiO₂的电子和离子导电性,分别对其进行石墨烯（Graphene,GE）复合及氟F掺杂。首先,采用离子液体水解合成TiO₂,在高卤素离子和高酸度的条件下得到了大比表面的金红石TiO₂纳米晶,该材料可逆比容量可达216mAh/g,5C循环200次容量保持在127mAh/g。添加辅助溶剂后,合成产物的晶型发生了转变,得到了锐钛矿TiO₂纳米晶,比表面大大增加,该材料可逆比容量可达192mAh/g,5C循环200次容量保持在119mAh/g。合成中还发现,BF4-可更有效地促进结晶及晶粒的长大,长碳链离子液体表现出了更显著的模板效应。研究发现TiO₂电极的嵌脱锂动力学受锂离子的固相扩散控制。其次,采用离子液体溶胶-凝胶法合成了具有高比表面、孔径分布均匀、高热稳定性的介孔锐钛矿TiO₂纳米晶。同样,长碳链离子液体表现出了更显著的模板剂和稳定剂的作用。该锐钛矿TiO₂可逆比容量可达226mAh/g,5C循环50次容量保持在127mAh/g。最后,采用原位生长的方法制备了金红石TiO₂/Graphene复合纳米材料,采用TiF₄为氟源合成了F掺杂金红石TiO₂,研究发现复合或掺杂后,金红石TiO₂的电化学性能尤其是大倍率充放电能力得到了大幅的提高。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-27
  1.1 课题研究背景及意义  10-12
  1.2 室温离子液体概述  12-15
    1.2.1 离子液体的合成  13-14
    1.2.2 离子液体的纯化  14-15
  1.3 离子液体在无机纳米材料合成中的应用  15-20
  1.4 纳米晶TiO_2在锂离子电池中的应用  20-26
    1.4.1 金红石型TiO_2的嵌脱锂性能研究  21-22
    1.4.2 锐钛矿型TiO_2的嵌脱锂性能研究  22
    1.4.3 TiO_2(B)的嵌脱锂性能研究  22-23
    1.4.4 板钛矿型TiO_2的嵌脱锂性能研究  23
    1.4.5 纳米晶TiO_2的电化学改性研究  23-26
  1.5 本论文的主要研究内容  26-27
第2章实验材料与实验测试方法  27-33
  2.1 实验材料  27-29
    2.1.1 实验药品  27-28
    2.1.2 实验仪器  28-29
  2.2 样品表征方法  29-30
    2.2.1 傅里叶-红外光谱测试  29
    2.2.2 核磁共振氢谱测试  29
    2.2.3 热重-差示扫描量热分析  29
    2.2.4 X射线衍射分析  29-30
    2.2.5 BET比表面分析  30
    2.2.6 TiO_2粉末显微结构测试  30
  2.3 测试电池的制备及相关电化学测试  30-33
    2.3.1 TiO_2粉末电极的制备  30-31
    2.3.2 测试电池的组装  31-32
    2.3.3 循环伏安曲线测试  32
    2.3.4 电化学交流阻抗谱测试  32
    2.3.5 恒流充放电测试  32-33
第3章室温离子液体的合成及表征  33-42
  3.1 室温离子液体(RTILs)的合成  33-35
    3.1.1 反应原料的提纯  34
    3.1.2 [Bmim]Cl和[Bmim]Br的合成  34
    3.1.3 [Bmim]BF_4的合成  34-35
    3.1.4 长碳链离子液体[C_(16)mim]Cl和[C_(12)mim]Cl的合成  35
  3.2 合成离子液体的表征  35-41
    3.2.1 傅立叶红外（FT-IR）光谱表征  35-38
    3.2.2 核磁共振氢谱（1H-NMR）表征  38-41
  3.3 本章小结  41-42
第4章离子液体低温水解合成TiO_2纳米晶及其嵌脱锂性能研究  42-65
  4.1 TiO_2纳米晶的水解合成及表征  42-54
    4.1.1 反应温度的影响  44-48
    4.1.2 辅助溶剂的影响  48-50
    4.1.3 离子液体阴离子种类的影响  50-53
    4.1.4 离子液体阳离子侧链取代基碳链长度的影响  53-54
  4.2 离子液体低温水解合成TiO_2纳米晶的嵌脱锂性能  54-63
    4.2.1 金红石TiO_2的嵌脱锂性能研究  54-60
    4.2.2 锐钛矿TiO_2的嵌脱锂性能研究  60-63
  4.3 本章小结  63-65
第5章离子液体溶胶-凝胶合成TiO_2纳米晶及其嵌脱锂性能研究  65-75
  5.1 TiO_2纳米晶的溶胶-凝胶合成及表征  65-71
    5.1.1 离子液体溶胶-凝胶合成的实验方法  65-66
    5.1.2 [C_(16)mim]Cl为模板剂时TiO_2的合成及表征  66-69
    5.1.3 [Bmim]Cl为模板时TiO_2的制备及表征  69-71
  5.2 离子液体溶胶-凝胶合成TiO_2的嵌脱锂性能研究  71-74
    5.2.1 恒流充放电测试  71-72
    5.2.2 电化学交流阻抗(EIS)分析  72-73
    5.2.3 循环伏安(CV)分析  73-74
  5.3 本章小结  74-75
第6章离子液体低温水解合成金红石TiO_2纳米晶的电化学改性研究  75-85
  6.1 金红石TiO_2/Graphene复合材料的制备及嵌脱锂性能研究  76-80
    6.1.1 金红石TiO_2/Graphene复合材料的制备方法  76
    6.1.2 金红石TiO_2/Graphene结构及形貌表征  76-78
    6.1.3 金红石TiO_2/Graphene复合材料的嵌脱锂性能研究  78-80
  6.2 F掺杂金红石TiO_2的制备及嵌脱锂性能研究  80-84
    6.2.1 F掺杂金红石TiO_2的制备方法  80
    6.2.2 F掺杂金红石TiO_2的结构及形貌表征  80-82
    6.2.3 F掺杂金红石TiO_2的嵌脱锂性能研究  82-84
  6.3 本章小结  84-85
结论  85-87
参考文献  87-96
攻读硕士学位期间发表的学术论文  96-98
致谢  98

基于离子液体TiO_2纳米晶的合成及其嵌脱锂性能研究

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