鋰離子電池負極材料TiO2納米管陣列和TiO2@Si薄膜的制備及電化學性能研究.pdf

1、隨著各種便攜式電子設備的廣泛應用，以及近年來研究技術以及應用領域(如電動汽車和智能電網(wǎng)等)的拓展，開發(fā)高能、安全、低廉、環(huán)保的電池材料成為鋰離子電池發(fā)展的關鍵。現(xiàn)在商業(yè)化的鋰離子負極碳材料由于存在著容量低、安全性能差等問題，不能滿足交通工具與智能電網(wǎng)儲能用電池高容量、長壽命的要求。TiO2由于具有較高的嵌鋰電位避免了鋰枝晶的生成，大大提高了電池的安全性能，且具有循環(huán)性能好、環(huán)境友好和價格低廉等優(yōu)點，使其成為動力鋰離子電池負極材料關注的焦

2、點，但較低的容量制約了其應用。為了滿足高能量電源的需求，研究人員不斷的探索高儲鋰量的新型負極材料，Si具有很高的理論容量(4200mAh·g-1)，是目前較理想的鋰離子電池負極材料之一，但存在利用率低、極化大、循環(huán)壽命短等問題。針對以上兩種熱點材料存在的問題，論文開展了TiO2納米管陣列結構和TiO2@Si薄膜制備、表征及電化學性能研究，并對二者的電極動力學進行了較全面的探討，研究結果如下：
　　 (1)采用陽極氧化方法制備了微

3、米級、高度整齊有序的TiO2納米管陣列，作為鋰離子電池負極材料進行電化學性能測試。結果表明：首次嵌鋰容量為73.3μAh.cm-2，100次循環(huán)后容量仍維持在65.5μAh.cm-2，保持率為89.4％，循環(huán)性能優(yōu)異，且充放電庫侖效率均在95%以上。由循環(huán)伏安曲線法計算出該材料的鋰離子擴散系數(shù)為D=7.7×10-9cm2·s-1。通過電化學阻抗法，得出電極反應中電子傳輸?shù)谋碛^活化能為Ea=58.4kJ·mol-1
　　 (2)采

4、用高真空磁控濺射法在已制備的TiO2納米管陣列上沉積Si薄膜，通過XRD、SEM、TEM和TEAMEDX等測試手段對合成的TiO2@Si薄膜的結構、組成和形貌進行表征。利用恒電流充放電、CV、EIS等手段測試了此負極材料的電化學性能。以20μA·cm-2充放電時，TiO2@Si薄膜首次放電容量為175.6μAh·cm-2，循環(huán)100圈后，放電容量為84.6μAh·cm-2。電化學研究結果表明，TiO2的管狀結構，很好地改善了硅負極材料的