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目前,作为便携式电子产品主要供电电源的锂离子电池的商业化碳基材料存在较低首次可逆容量、易产生锂枝晶引起安全隐患、大电流密度充放电条件下结构易破坏等问题,无法满足快速增长的电动车、混合动力车等大功率输出设备需求。二氧化钛由于其充放电过程中基体材料结构变形小、脱嵌锂离子平台电压稳定、环境友好等优点,作为一种极具应用前景的负极材料受到各国研究者广泛关注。为提高其电化学性能,可通过设计合成具有特殊形貌及连续可控相的方式加以实现。 本文通过调控前驱体溶剂配比、有机添加剂与类型、后续热处理温度等手段合成花状微米球、单分散微米球、碳包覆二氧化钛纳米晶复合材料微米球,二氧化钛纳米晶中空三维互连结构及无模板合成空心球等特殊结构。同时借助XRD、SEM、TEM、Raman等表征方法研究分析纳米晶生长机制,再使用循环伏安法、恒电流充放电试验、电化学交流阻抗谱等电化学测试方法对合成产物进行电化学性能研究。 通过调控前驱体溶液中无水乙醇及水体积比,合成具有合成相组成连续变化的二氧化钛纳米晶,其产物形貌亦可进行调控,合成花状微米球及单分散微米球,单分散微球尺寸约为2-3μm。5C下充电比容量为106mAhg-1。 使用高聚物聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为包覆二氧化钛的碳源,合成碳包覆二氧化钛微米球。通过XRD、TG、SEM等一系列表征手段研究不同热处理条件下对合成产物形貌影响,确定最优化合成产物热处理温度400℃时形成的碳网层起限制层与导电层双重作用,控制二氧化钛粒径尺寸,同时提高材料比容量及循环寿命,在1C倍率恒电流测试条件下,其充电比容量可达223mAhg-1。 以阳离子型表面活性剂十二烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为软模板合成二氧化钛纳米晶中空三维互连结构,通过XRD、SEM及氮气等温吸脱附实验研究CTAB添加量、水热反应时间对合成产物结构及形貌影响。随后以其作为锂离子电极材料在30C倍率条件下,充放电40次其充电比容量仍可维持125mAhg-1。 根据奥斯瓦尔德熟化机制,合成金红石相二氧化钛纳米晶自组装形成二氧化钛空心球,使用SEM及TEM对其进行表征后,观察发现其空心球尺寸大小约为3μm,中心为中空结构。在10C充放电条件下,在200次循环后,充电比容量仍保持在95mAhg-1。