苯胺Ti02复合纳米纤维的合成并研究温度对性能的影响
苯胺Ti02复合纳米纤维的合成并研究温度对性能的影响[20200412225233]
摘 要
高压静电纺丝是一种简单而又快捷地制备一维纳米-亚微米材料的技术。本文通过静电纺丝技术制备Ti02薄膜材料，在不同温度下煅烧，接着研磨成纳米颗粒加入聚苯胺制得聚苯胺/Ti02复合纳米纤维，利用XRD、SEM、红外等技术对其进行结构和性能的分析，并将其作为锂电池负极材料填装电池测试其充放电容量和循环性能。通过测试分析经过不同温度热处理后的薄膜材料对电池性能的影响，找出二氧化钛/聚苯胺复合纳米纤维材料作为锂离子电池的最佳热处理温度。实验表明，Ti02:PANI=1:1这个比例下，500 ℃热处理过后的样品电池性能最好。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:静电纺丝二氧化钛锂电池负极材料
目 录
1前言 1
1.1引言 1
1.2 锂离子电池 1
1.2.1锂离子电池简介 1
1.2.2 锂电池的工作原理 1
1.2.3 锂离子电池的类型 2
1.2.4 锂离子电池应用领域的拓展 3
1.3锂离子电池的负极材料 3
1.4 静电纺丝 4
1.4.1 静电纺丝技术的简介 4
1.4.2 静电纺丝装置 5
1.4.3 静电纺丝的原理 6
1.4.4 静电纺丝的影响因素 7
1.4.5 静电纺丝的应用 8
1.5 本课题研究的内容与目的 8
2实验部分 9
2.1实验药品及仪器 9
2.1.1实验药品 9
2.1.2 实验仪器 9
2.2 聚苯胺/Ti02复合纳米纤维的制备 9
2.2.1 电纺丝溶液的制备 9
2.2.2聚苯胺/Ti02复合纳米纤维的制备 9
2.2.3 以聚苯胺/Ti02复合纳米纤维薄膜材料装电池 10
2.3 结果与讨论 10
2.3.1 扫描电镜测试 10
2.3.2 红外光谱测试 12
2.3.3 XRD测试 13
2.3.4 电性能测试 15
3结论 22
参考文献 23
致 谢 25
聚苯胺/Ti02复合纳米纤维的合成并研究温度对性能的影响
1前言
1.1引言
人类大规模开采煤炭、石油、天然气，而且各主要国家能源消耗迅速增长，每隔十年，世界各国的能耗增长一倍以上，对于世界上有限的资源，人们面临的能源危机日渐严重。因此能量密度较高，成本较低，高电压，携带小型化，使用温度范围广，循环使用时间长，安全性能好并且对环境无污染的全新绿色电源成为了人们研究的热点。
锂离子电池具有快速充放电、高能量密度、自放电低、长循环寿命等优点，其在未来有希望作为电动汽车的主要动力电源以及作为太阳能与风能的储能装置。锂离子二次电池由于其优越的性能开始成为市场前景最光明、发展速度最快的新型蓄电池[1]。
1.2 锂离子电池
1.2.1锂离子电池简介
锂离子电池是在1991年发明的，锂离子电池的基本构造由阳极、阴极、隔离膜三层组成，电池阴极材料是改性石墨，电池阳极材料是钴氧化锂制成的，隔离膜使用的是只允许锂离子通过的聚烯多孔膜[2]。锂电池拥有质量小、携带方便的优势，与我们平时使用的电池相比，锂离子电池拥有以下优点：（1）电池寿命长；（2）单体额定电压较高；（3）高功率承受力；（4）自放电率低；（5）绿色环保，不含有毒元素；（6）能力密度高。
1.2.2 锂电池的工作原理
锂离子电池是一种可循环充放电的充电电池，它工作时主要靠锂离子在电池阳极和阴极之间的来回嵌入和脱嵌工作，其正负两极的化学反应为可逆反应。锂离子电池电极一般都采用拥有层状构造的并且都可以进行脱嵌和嵌入锂离子的化合物。这种层状结构的化合物, 允许锂离子通过, 并且材料结构可以保持稳定，充放电前后不会出现不可逆变化[3]。其工作原理如图1-1所示：电池进行充电时，锂离子从电池阳极脱嵌，脱嵌的锂离子通过电解液以及隔膜到达电池阴极，由于负极是有微孔的层状结构材料，锂离子运动到了负极便开始嵌入到负极材料，使负极成为富锂状态。可以嵌入的锂离子量的多少，说明了它容量的高低。电池放电时，嵌入负极的锂离子脱落，然后又运动回到正极。
图1-1 锂离子电池工作原理
1.2.3 锂离子电池的类型
锂离子电池可以在很多领域得到使用，所以其拥有许多不同的类型。按照锂离子电池外形分，主要三种：钮扣式的、方块形的以及圆柱形的。国外已生产锂离子电池类型除了上述三种外，还有有棱柱形、钮扣式、薄型和超薄型，以满足不同用途要求如图1-2所示。从国内的研发趋势来看，锂离子电池正在从小型电子产品的应用领域转向大型动力型领域，并且开始出现了锂离子电池组如图1-3所示。
图1-2 锂离子电池
图1-3锂离子电池组（大功率）
1.2.4 锂离子电池应用领域的拓展
20世纪90年代，由于电池生产技术门坎高，产品技术开发和生产技术被少数企业掌握，导致锂离子电池价格昂贵，因此只在摄像机、照相机等少数高档消费品中使用[4]。跟其他二次电池相比，锂离子电池具有很多自身优点，特别是他具有高的比能量以及高的单电池电压，因此在航空领域中，锂电池的应用将可以发挥它所具有的优点。世界上的某些公司以及国家部门开始投下大量资金研究锂离子电池应用在航空领域，并取得一定成效[5]。
目前，随着世界能源问题，锂离子电池携带使用方便、无记忆效应、无环境污染、充放电速度快、以及安全性能好等优点使其成为未来可发展的理想能源。
1.3锂离子电池的负极材料
随着电子产品的日益增多，对高能比电池的需求量越来越大，目前单一的某种材料并不能满足人们的需求。影响锂离子二次电池的容量因素比较大的是负极的锂嵌入量。负极材料的性能对二次锂电池的循环使用时间和比能量的影响很大，因此全球范围内对其非常关注并进行研究。目前对锂离子二次电池负极材料的研究主要是对现有材料进行改良以及对新材料方面的开发[6]。
目前人们探索的锂电池负极材料有：石墨材料、氧化物材料、金属合金类材料，还有复合负极材料[7]。虽然这些材料的容量和储存机理都不相同，但它们有一个共同之处在脱嵌锂的过程中，即在锂的嵌入和脱出过程中，锂离子电池材料会生成两种物质结构，也就是活性物质和惰性基体物质。其中的活性物质与锂反应，提供锂电池的电池容量，而惰性基体物质可以使得结构可以稳定，让锂离子电池的循环寿命得到保证[8]。
目前，市场上绝大多数都是石墨负极材料。但是石墨的理论容量低而且存在安全性的问题，所以人们越来越关注理论容量高并且可以保证安全性能的新式负极材料。目前人们研究的另外一种负极材料是氧化物负极材料体系，包括了参杂金属的复合氧化物以及其他氧化物。氧化物负极材料拥有许多优点，例如安全性能高、循环使用的性能好并且它的安全性能比较高，是锂离子电池的理想负极材料之一。但是氧化物负极材料导电性能差、不可逆容量大而且电池充电放电前后的体积变化大等问题的存在制约了它的实际应用。通过研究发现，将氧化物负极材料纳米化、控制材料的形貌以及用碳包覆等办法可以使得材料的导电性能得到改善，使充电时的体积改变得到缓解，并且可以改善材料的电化学性能[9]。
在氧化物负极材料中，二氧化钛在电池领域也十分具有潜力，二氧化钛纳米粒子，纳米纤维，纳米棒和纳米线为目前最为常见的纳米材料的形式，由于纳米粒子易发生团聚，故在纤维方面会存在更大的优势。一维网状结构的二氧化钛，疏松多孔。静电纺丝制得的二氧化钛纤维，可以通过改变其退火温度，从而控制纳米纤维的形貌，煅烧温度越高，纤维直径越小，形貌随着温度升高，由疏松多孔到簇状，接着是层状，当达到800摄氏度退火温度时，形貌为链状。结构的不同，其性能也不同。二氧化钛并不属于过渡金属，不具有高储锂能力，但其性能的优越性体现在倍率性能，和稳定的放电平台。不同电流密度下，二氧化钛倍率性能十分有优越，衰减很小。不过与此同时，由于它的导电性很差，改性基本都在提升它的导电性能上下工夫。添加石墨材料，碳纳米管，或者与高储锂材料进行复合，是当今二氧化钛作为负极材料发展的第一方向。
摘 要
高压静电纺丝是一种简单而又快捷地制备一维纳米-亚微米材料的技术。本文通过静电纺丝技术制备Ti02薄膜材料，在不同温度下煅烧，接着研磨成纳米颗粒加入聚苯胺制得聚苯胺/Ti02复合纳米纤维，利用XRD、SEM、红外等技术对其进行结构和性能的分析，并将其作为锂电池负极材料填装电池测试其充放电容量和循环性能。通过测试分析经过不同温度热处理后的薄膜材料对电池性能的影响，找出二氧化钛/聚苯胺复合纳米纤维材料作为锂离子电池的最佳热处理温度。实验表明，Ti02:PANI=1:1这个比例下，500 ℃热处理过后的样品电池性能最好。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:静电纺丝二氧化钛锂电池负极材料
目 录
1前言 1
1.1引言 1
1.2 锂离子电池 1
1.2.1锂离子电池简介 1
1.2.2 锂电池的工作原理 1
1.2.3 锂离子电池的类型 2
1.2.4 锂离子电池应用领域的拓展 3
1.3锂离子电池的负极材料 3
1.4 静电纺丝 4
1.4.1 静电纺丝技术的简介 4
1.4.2 静电纺丝装置 5
1.4.3 静电纺丝的原理 6
1.4.4 静电纺丝的影响因素 7
1.4.5 静电纺丝的应用 8
1.5 本课题研究的内容与目的 8
2实验部分 9
2.1实验药品及仪器 9
2.1.1实验药品 9
2.1.2 实验仪器 9
2.2 聚苯胺/Ti02复合纳米纤维的制备 9
2.2.1 电纺丝溶液的制备 9
2.2.2聚苯胺/Ti02复合纳米纤维的制备 9
2.2.3 以聚苯胺/Ti02复合纳米纤维薄膜材料装电池 10
2.3 结果与讨论 10
2.3.1 扫描电镜测试 10
2.3.2 红外光谱测试 12
2.3.3 XRD测试 13
2.3.4 电性能测试 15
3结论 22
参考文献 23
致 谢 25
聚苯胺/Ti02复合纳米纤维的合成并研究温度对性能的影响
1前言
1.1引言
人类大规模开采煤炭、石油、天然气，而且各主要国家能源消耗迅速增长，每隔十年，世界各国的能耗增长一倍以上，对于世界上有限的资源，人们面临的能源危机日渐严重。因此能量密度较高，成本较低，高电压，携带小型化，使用温度范围广，循环使用时间长，安全性能好并且对环境无污染的全新绿色电源成为了人们研究的热点。
锂离子电池具有快速充放电、高能量密度、自放电低、长循环寿命等优点，其在未来有希望作为电动汽车的主要动力电源以及作为太阳能与风能的储能装置。锂离子二次电池由于其优越的性能开始成为市场前景最光明、发展速度最快的新型蓄电池[1]。
1.2 锂离子电池
1.2.1锂离子电池简介
锂离子电池是在1991年发明的，锂离子电池的基本构造由阳极、阴极、隔离膜三层组成，电池阴极材料是改性石墨，电池阳极材料是钴氧化锂制成的，隔离膜使用的是只允许锂离子通过的聚烯多孔膜[2]。锂电池拥有质量小、携带方便的优势，与我们平时使用的电池相比，锂离子电池拥有以下优点：（1）电池寿命长；（2）单体额定电压较高；（3）高功率承受力；（4）自放电率低；（5）绿色环保，不含有毒元素；（6）能力密度高。
1.2.2 锂电池的工作原理
锂离子电池是一种可循环充放电的充电电池，它工作时主要靠锂离子在电池阳极和阴极之间的来回嵌入和脱嵌工作，其正负两极的化学反应为可逆反应。锂离子电池电极一般都采用拥有层状构造的并且都可以进行脱嵌和嵌入锂离子的化合物。这种层状结构的化合物, 允许锂离子通过, 并且材料结构可以保持稳定，充放电前后不会出现不可逆变化[3]。其工作原理如图1-1所示：电池进行充电时，锂离子从电池阳极脱嵌，脱嵌的锂离子通过电解液以及隔膜到达电池阴极，由于负极是有微孔的层状结构材料，锂离子运动到了负极便开始嵌入到负极材料，使负极成为富锂状态。可以嵌入的锂离子量的多少，说明了它容量的高低。电池放电时，嵌入负极的锂离子脱落，然后又运动回到正极。
图1-1 锂离子电池工作原理
1.2.3 锂离子电池的类型
锂离子电池可以在很多领域得到使用，所以其拥有许多不同的类型。按照锂离子电池外形分，主要三种：钮扣式的、方块形的以及圆柱形的。国外已生产锂离子电池类型除了上述三种外，还有有棱柱形、钮扣式、薄型和超薄型，以满足不同用途要求如图1-2所示。从国内的研发趋势来看，锂离子电池正在从小型电子产品的应用领域转向大型动力型领域，并且开始出现了锂离子电池组如图1-3所示。
图1-2 锂离子电池
图1-3锂离子电池组（大功率）
1.2.4 锂离子电池应用领域的拓展
20世纪90年代，由于电池生产技术门坎高，产品技术开发和生产技术被少数企业掌握，导致锂离子电池价格昂贵，因此只在摄像机、照相机等少数高档消费品中使用[4]。跟其他二次电池相比，锂离子电池具有很多自身优点，特别是他具有高的比能量以及高的单电池电压，因此在航空领域中，锂电池的应用将可以发挥它所具有的优点。世界上的某些公司以及国家部门开始投下大量资金研究锂离子电池应用在航空领域，并取得一定成效[5]。
目前，随着世界能源问题，锂离子电池携带使用方便、无记忆效应、无环境污染、充放电速度快、以及安全性能好等优点使其成为未来可发展的理想能源。
1.3锂离子电池的负极材料
随着电子产品的日益增多，对高能比电池的需求量越来越大，目前单一的某种材料并不能满足人们的需求。影响锂离子二次电池的容量因素比较大的是负极的锂嵌入量。负极材料的性能对二次锂电池的循环使用时间和比能量的影响很大，因此全球范围内对其非常关注并进行研究。目前对锂离子二次电池负极材料的研究主要是对现有材料进行改良以及对新材料方面的开发[6]。
目前人们探索的锂电池负极材料有：石墨材料、氧化物材料、金属合金类材料，还有复合负极材料[7]。虽然这些材料的容量和储存机理都不相同，但它们有一个共同之处在脱嵌锂的过程中，即在锂的嵌入和脱出过程中，锂离子电池材料会生成两种物质结构，也就是活性物质和惰性基体物质。其中的活性物质与锂反应，提供锂电池的电池容量，而惰性基体物质可以使得结构可以稳定，让锂离子电池的循环寿命得到保证[8]。
目前，市场上绝大多数都是石墨负极材料。但是石墨的理论容量低而且存在安全性的问题，所以人们越来越关注理论容量高并且可以保证安全性能的新式负极材料。目前人们研究的另外一种负极材料是氧化物负极材料体系，包括了参杂金属的复合氧化物以及其他氧化物。氧化物负极材料拥有许多优点，例如安全性能高、循环使用的性能好并且它的安全性能比较高，是锂离子电池的理想负极材料之一。但是氧化物负极材料导电性能差、不可逆容量大而且电池充电放电前后的体积变化大等问题的存在制约了它的实际应用。通过研究发现，将氧化物负极材料纳米化、控制材料的形貌以及用碳包覆等办法可以使得材料的导电性能得到改善，使充电时的体积改变得到缓解，并且可以改善材料的电化学性能[9]。
在氧化物负极材料中，二氧化钛在电池领域也十分具有潜力，二氧化钛纳米粒子，纳米纤维，纳米棒和纳米线为目前最为常见的纳米材料的形式，由于纳米粒子易发生团聚，故在纤维方面会存在更大的优势。一维网状结构的二氧化钛，疏松多孔。静电纺丝制得的二氧化钛纤维，可以通过改变其退火温度，从而控制纳米纤维的形貌，煅烧温度越高，纤维直径越小，形貌随着温度升高，由疏松多孔到簇状，接着是层状，当达到800摄氏度退火温度时，形貌为链状。结构的不同，其性能也不同。二氧化钛并不属于过渡金属，不具有高储锂能力，但其性能的优越性体现在倍率性能，和稳定的放电平台。不同电流密度下，二氧化钛倍率性能十分有优越，衰减很小。不过与此同时，由于它的导电性很差，改性基本都在提升它的导电性能上下工夫。添加石墨材料，碳纳米管，或者与高储锂材料进行复合，是当今二氧化钛作为负极材料发展的第一方向。
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