静电纺丝法制备二氧化钛纳米纤维锂离子电池负极材料及其性能的研究
静电纺丝法制备二氧化钛纳米纤维锂离子电池负极材料及其性能的研究[20200411175124]
摘 要
能源匮乏，环境污染已经是当今世界的主要问题，而新型锂离子电池负极材料TiO2因为其具有的高效率、高环保的作用，成为了科学发展的新的研究热点。本文以钛酸四丁酯为前驱材料，通过静电纺丝技术制备TiO2的纳米级纤维材料，经过不同温度的煅烧形成不同晶体结构的纳微分级结构的TiO2锂离子电池的负极材料。
TiO2负极材料的结构与性质是通过了X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、比表面测试仪（BET）分析得知，通过这些了解材料的晶体形貌。另外通过Land测试、循环伏安（CV）、电化学阻抗（EIS）等测试电化学性能。结果表明：（1）随着煅烧温度的增大，TiO2负极材料由锐钛矿相变为金红石相；（2）随着煅烧温度的增大，TiO2的直径在不断减小，晶粒尺寸变大，而表面变得越来越粗糙；（3）随着煅烧温度的增大，TiO2的放电比容量逐渐减小。经过30圈充放电后，TiO2（723K）的放电比容量由240.9mAh/g变为179.8mAh/g，容量保持率为74.64%；TiO2（1023K）的放电比容量由110.9mAh/g变为62.6mAh/g，容量保持率为56.45%。由此得出经723K煅烧的锐钛矿相TiO2纳米纤维，加入乙炔黑在0.1倍率下充放电循环，电池的性能较好。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:锂离子电池负极材料纳米材料TiO2电化学性能
目录
1.前言 1
1.1 锂离子电池简介 1
1.1.1锂离子电池的构成 2
1.1.2锂离子电池的工作原理 3
1.1.3锂离子电池的特点和应用 4
1.2锂离子电池负极材料研究进展 5
1.2.1锂离子电池负极材料的发展情况 5
1.2.2负极材料的种类 5
1.3静电纺丝法 9
1.3.1静电纺丝基本原理 9
1.3.2静电纺丝的影响因素 10
1.3.3静电纺丝技术的发展 10
1.4锂离子电池负极材料TiO2的研究进展 11
1.5本文研究的内容和目的 12
2.实验部分 13
2.1实验药品及仪器 13
2.2 TiO2负极材料的制备 14
2.3样品的表征和电化学性能测试 14
2.3.1 样品的表征 14
2.3.2 电化学性能测试 15
3.结果与讨论 17
3.1 XRD表征 17
3.2 SEM分析 18
3.3 HRTEM分析 19
3.4 电化学性能测试结果与分析 20
3.4.1充放电性能的测试 20
3.4.2倍率性能的测试 22
3.4.3 循环伏安的测试 23
3.4.4 电化学阻抗性能的测试 24
4.结论 25
参考文献 26
致谢 28
1.前言
锂离子电池是20世纪90年代开发成功的新型高能电池，是在锂二次电池的基础上发展起来的一种锂离子嵌入式电池。作为最新一代的可充放电的高能电池，锂离子电池具有体积小、质量轻、能量密度大、工作电压高、循环寿命长、安全性能好、自放电率低等许许多多优点,现如今已经广泛的应用于各种手表、移动手机、照相机、笔记本电脑等众多便携式电子仪器设备中,而且在卫星、导弹、心脏起搏器等方面扮演重要的角色，同时也在各种电动汽车的开发和应用中具有良好的应用前景。
1.1锂离子电池简介
锂离子电池是最新型的电池之一。锂离子电池首先是在1990年由日本索尼公司研制出并且实现商品化的，它的出现是二次电池历史上的一次重大飞跃。在那之后，商业化的发展更进一步，锂离子电池的需求量正在逐年的大幅度的增长。因为它的经济性、环保性、安全性、循环次数高等优点备受关注，锂离子二次电池在可充电电池领域占据了领先的地位。
锂离子二次电池的分类方法有很多。根据温度不同，可分为高温锂离子二次电池。根据所用电解质状态不同，分为液体锂离子二次电池、凝胶锂离子二次电池、全固态锂离子二次电池。根据正极材料的不同，可分为锂离子电池、聚合物锂离子电池、Li/FeS2二次电池。不止如此，锂离子电池还有其他的分类方法。
商品化的锂离子二次电池按照形状不同，可以分为圆柱形、方形和扣式（或钱币形）。除此之外，聚合物锂离子电池除了能制成所说的形状外，还能根据形状制成任意需求的形状。
根据IEC61960标准，锂离子电池的标识如下：
（1）电池标志是由三个英文字母加上若干个数字组成的。
（2）第一个字母表示的是电池的负极材料。例如：I表示的是锂离子电池，而L表示的是锂金属电极或是锂合金的电极。
（3）第二个字母表示的是电池的正极材料。例如：C表示的是基于钴的电极，而V表示的是基于钒的电极，N表示的是基于镍的电极，M表示的是基于锰的电极。
（4）第三个字母表示的是电池的形状。例如：R表示的是圆柱形的电池，P表示的是方形的电池。
（5）数字的含义对不同的电池有不同的含义。首先是圆柱形电池的型号用5位数字表示，分别表示电池的直径和高度，前两位表示直径，单位是mm(毫米),后三位表示的是高度，单位是0.1mm。并且直径或高度的任一尺寸如果大于或者是等于100mm时，两个尺寸之间应该要加一条斜线以示区分。
而方形电池的型号则不同，是用六位数表示的。前两位表示的是电池的厚度，中间的两位数表示的是宽度，最后两位数则是表示高度，单位都是mm（毫米）。同样的当三个尺寸中有人任一个尺寸的数字大于或等于100mm时，尺寸之间要加一斜线以示区分。若是当三个尺寸中有人任一个尺寸的数字小于1mm，此时要在尺寸前加字母t，而尺寸单位则是变为0.1mm。
扣式电池的型号又有所不同，是用四位数表示的。前两位是直径，后两位则是高度直径的单位是mm(毫米)，高度是单位是0.1mm。
由于锂离子电池具有的开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效果、少污染等优点，它的总体性能优于其它传统的二次电池。因而如今要实现高功率锂离子电池的关键，是在开发性能优异的电池材料，包括正极材料和负极材料，才能从根本上提高材料的倍率性能。高性能负极材料的开发将是本项目的研究重点。
1.1.1锂离子电池的构成
锂离子电池的结构一般包括以下几个部件：正极、负极、隔膜、电解质、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、PTC（正温度控制端子）、电池壳。
图1-1：圆柱形锂离子电池构造示意图
正极的活性物质一般是锰酸锂或者钴酸锂，还出现了镍钴锰酸锂这种材料。另外，磷酸铁锂应用在电动自行车，导电集流体则是使用厚度10-20μm的电解铝箔。
负极的活性物质一般为石墨，或者是近似石墨结构的碳素材料。另外，相对应的导电集流体使用使用的是厚度7-15μm的电解铜箔。
此外，隔膜是一种特殊的复合膜，可以让锂离子通过，但却是电子的绝缘体。电解质一般是有机电解液，溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，而聚合物锂离子电池则使用凝胶状电解液。
电池外壳可以分为钢壳（现在方型锂离子电池很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱形锂离子电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。
1.1.2锂离子电池的工作原理
锂离子电池主要靠正负极之间充放电，在充电和放电放电过程中，锂离子在正负极之间往返嵌入和脱嵌。以常规的锂离子电池为例，正极是钴酸锂（LiCoO2），负极是层状石墨，锂离子电池反应为：
LiCoO2 + 6C====Li1-xCoO2 + LixC6
充电时，锂离子从正极活性物质中脱出，在外电压的作用下经由电解液移动到负极，嵌入负极活性物质中。正极处于贫锂态，负极处于富锂状态。放电时则相反，锂离子从负极脱出，经电解液向正极迁移，锂离子嵌入正极活性物质的晶格中，此时正极处于富锂状态。
图1-2：锂离子电池充放电原理示意图
负极反应：6 C + x Li+ + x e- LixC6
正极反应：LiCoO2 - x e- x Li+ + Li1-xCoO2
电荷平衡要求等量的电子在外电路正负极之间移动，由此实现了化学能向电能的转化。在正常的充放电情况下，锂离子在层状的碳素材料结构和氧化物层状结构的层次之间循环嵌入好脱出，一般只会引起层面间距的变化，不会破坏晶体的结构，因此从充放电的反应的可逆性来看，锂离子电池的充放电反应是一种理想的可逆反应。
摘 要
能源匮乏，环境污染已经是当今世界的主要问题，而新型锂离子电池负极材料TiO2因为其具有的高效率、高环保的作用，成为了科学发展的新的研究热点。本文以钛酸四丁酯为前驱材料，通过静电纺丝技术制备TiO2的纳米级纤维材料，经过不同温度的煅烧形成不同晶体结构的纳微分级结构的TiO2锂离子电池的负极材料。
TiO2负极材料的结构与性质是通过了X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、比表面测试仪（BET）分析得知，通过这些了解材料的晶体形貌。另外通过Land测试、循环伏安（CV）、电化学阻抗（EIS）等测试电化学性能。结果表明：（1）随着煅烧温度的增大，TiO2负极材料由锐钛矿相变为金红石相；（2）随着煅烧温度的增大，TiO2的直径在不断减小，晶粒尺寸变大，而表面变得越来越粗糙；（3）随着煅烧温度的增大，TiO2的放电比容量逐渐减小。经过30圈充放电后，TiO2（723K）的放电比容量由240.9mAh/g变为179.8mAh/g，容量保持率为74.64%；TiO2（1023K）的放电比容量由110.9mAh/g变为62.6mAh/g，容量保持率为56.45%。由此得出经723K煅烧的锐钛矿相TiO2纳米纤维，加入乙炔黑在0.1倍率下充放电循环，电池的性能较好。
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关键字:锂离子电池负极材料纳米材料TiO2电化学性能
目录
1.前言 1
1.1 锂离子电池简介 1
1.1.1锂离子电池的构成 2
1.1.2锂离子电池的工作原理 3
1.1.3锂离子电池的特点和应用 4
1.2锂离子电池负极材料研究进展 5
1.2.1锂离子电池负极材料的发展情况 5
1.2.2负极材料的种类 5
1.3静电纺丝法 9
1.3.1静电纺丝基本原理 9
1.3.2静电纺丝的影响因素 10
1.3.3静电纺丝技术的发展 10
1.4锂离子电池负极材料TiO2的研究进展 11
1.5本文研究的内容和目的 12
2.实验部分 13
2.1实验药品及仪器 13
2.2 TiO2负极材料的制备 14
2.3样品的表征和电化学性能测试 14
2.3.1 样品的表征 14
2.3.2 电化学性能测试 15
3.结果与讨论 17
3.1 XRD表征 17
3.2 SEM分析 18
3.3 HRTEM分析 19
3.4 电化学性能测试结果与分析 20
3.4.1充放电性能的测试 20
3.4.2倍率性能的测试 22
3.4.3 循环伏安的测试 23
3.4.4 电化学阻抗性能的测试 24
4.结论 25
参考文献 26
致谢 28
1.前言
锂离子电池是20世纪90年代开发成功的新型高能电池，是在锂二次电池的基础上发展起来的一种锂离子嵌入式电池。作为最新一代的可充放电的高能电池，锂离子电池具有体积小、质量轻、能量密度大、工作电压高、循环寿命长、安全性能好、自放电率低等许许多多优点,现如今已经广泛的应用于各种手表、移动手机、照相机、笔记本电脑等众多便携式电子仪器设备中,而且在卫星、导弹、心脏起搏器等方面扮演重要的角色，同时也在各种电动汽车的开发和应用中具有良好的应用前景。
1.1锂离子电池简介
锂离子电池是最新型的电池之一。锂离子电池首先是在1990年由日本索尼公司研制出并且实现商品化的，它的出现是二次电池历史上的一次重大飞跃。在那之后，商业化的发展更进一步，锂离子电池的需求量正在逐年的大幅度的增长。因为它的经济性、环保性、安全性、循环次数高等优点备受关注，锂离子二次电池在可充电电池领域占据了领先的地位。
锂离子二次电池的分类方法有很多。根据温度不同，可分为高温锂离子二次电池。根据所用电解质状态不同，分为液体锂离子二次电池、凝胶锂离子二次电池、全固态锂离子二次电池。根据正极材料的不同，可分为锂离子电池、聚合物锂离子电池、Li/FeS2二次电池。不止如此，锂离子电池还有其他的分类方法。
商品化的锂离子二次电池按照形状不同，可以分为圆柱形、方形和扣式（或钱币形）。除此之外，聚合物锂离子电池除了能制成所说的形状外，还能根据形状制成任意需求的形状。
根据IEC61960标准，锂离子电池的标识如下：
（1）电池标志是由三个英文字母加上若干个数字组成的。
（2）第一个字母表示的是电池的负极材料。例如：I表示的是锂离子电池，而L表示的是锂金属电极或是锂合金的电极。
（3）第二个字母表示的是电池的正极材料。例如：C表示的是基于钴的电极，而V表示的是基于钒的电极，N表示的是基于镍的电极，M表示的是基于锰的电极。
（4）第三个字母表示的是电池的形状。例如：R表示的是圆柱形的电池，P表示的是方形的电池。
（5）数字的含义对不同的电池有不同的含义。首先是圆柱形电池的型号用5位数字表示，分别表示电池的直径和高度，前两位表示直径，单位是mm(毫米),后三位表示的是高度，单位是0.1mm。并且直径或高度的任一尺寸如果大于或者是等于100mm时，两个尺寸之间应该要加一条斜线以示区分。
而方形电池的型号则不同，是用六位数表示的。前两位表示的是电池的厚度，中间的两位数表示的是宽度，最后两位数则是表示高度，单位都是mm（毫米）。同样的当三个尺寸中有人任一个尺寸的数字大于或等于100mm时，尺寸之间要加一斜线以示区分。若是当三个尺寸中有人任一个尺寸的数字小于1mm，此时要在尺寸前加字母t，而尺寸单位则是变为0.1mm。
扣式电池的型号又有所不同，是用四位数表示的。前两位是直径，后两位则是高度直径的单位是mm(毫米)，高度是单位是0.1mm。
由于锂离子电池具有的开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效果、少污染等优点，它的总体性能优于其它传统的二次电池。因而如今要实现高功率锂离子电池的关键，是在开发性能优异的电池材料，包括正极材料和负极材料，才能从根本上提高材料的倍率性能。高性能负极材料的开发将是本项目的研究重点。
1.1.1锂离子电池的构成
锂离子电池的结构一般包括以下几个部件：正极、负极、隔膜、电解质、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、PTC（正温度控制端子）、电池壳。
图1-1：圆柱形锂离子电池构造示意图
正极的活性物质一般是锰酸锂或者钴酸锂，还出现了镍钴锰酸锂这种材料。另外，磷酸铁锂应用在电动自行车，导电集流体则是使用厚度10-20μm的电解铝箔。
负极的活性物质一般为石墨，或者是近似石墨结构的碳素材料。另外，相对应的导电集流体使用使用的是厚度7-15μm的电解铜箔。
此外，隔膜是一种特殊的复合膜，可以让锂离子通过，但却是电子的绝缘体。电解质一般是有机电解液，溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，而聚合物锂离子电池则使用凝胶状电解液。
电池外壳可以分为钢壳（现在方型锂离子电池很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱形锂离子电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。
1.1.2锂离子电池的工作原理
锂离子电池主要靠正负极之间充放电，在充电和放电放电过程中，锂离子在正负极之间往返嵌入和脱嵌。以常规的锂离子电池为例，正极是钴酸锂（LiCoO2），负极是层状石墨，锂离子电池反应为：
LiCoO2 + 6C====Li1-xCoO2 + LixC6
充电时，锂离子从正极活性物质中脱出，在外电压的作用下经由电解液移动到负极，嵌入负极活性物质中。正极处于贫锂态，负极处于富锂状态。放电时则相反，锂离子从负极脱出，经电解液向正极迁移，锂离子嵌入正极活性物质的晶格中，此时正极处于富锂状态。
图1-2：锂离子电池充放电原理示意图
负极反应：6 C + x Li+ + x e- LixC6
正极反应：LiCoO2 - x e- x Li+ + Li1-xCoO2
电荷平衡要求等量的电子在外电路正负极之间移动，由此实现了化学能向电能的转化。在正常的充放电情况下，锂离子在层状的碳素材料结构和氧化物层状结构的层次之间循环嵌入好脱出，一般只会引起层面间距的变化，不会破坏晶体的结构，因此从充放电的反应的可逆性来看，锂离子电池的充放电反应是一种理想的可逆反应。
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