氧化钛及其纳米管阵列与锂电池负极性能研究

随着化石能源的不断消耗,以锂离子电池为代表的新能源技术正日益受到全球瞩目关注。目前对锂离子电池研究的焦点集中在改善电极材料性能上,而具有优异性能的纳米材料成为了攻克这一难关的突破口。二氧化钛（CY-TA18)因其高的理论容量,充放电过程中结构稳定性和自然界含量丰富等优点,成为取代传统石墨电极的新型锂离子电池负极材料。然而由于二氧化钛（CY-TA18)本身的原因,使得其放电容量只能达到理论容量的一半,严重制约了二氧化钛（CY-TA18)的实际应用。电化学阳极氧化法是一种方法简单、操作方便的制备一维纳米材料的方法,广泛应用于二氧化钛纳米管阵列的制备。由阳极氧化法所制备的二氧化钛（CY-TA18)纳米管阵列排列均匀整齐,在锂电池应用中具有非常大的潜在优势。

本实验以纯钛为阳极,采用电化学阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列。经过600℃热处理得到锐钛矿和金红石混合相结构,两相之比为5.11。将此材料组装锂离子电池,电池充放电结果表明,在0.1C （1C=335mA/g）电流密度下,锐钛矿和金红石混合相结构首次充放电容量为230mAh/g和210mAh/g,而纯锐钛矿二氧化钛纳米管阵列只有185mAh/g和173mAh/g,锐钛矿和金红石混合相结构具有更高的充放电容量。100次循环测试之后,混合相还能够保留180mAh/g的充放电比容量。倍率测试性能表明混合相在经历大电流密度冲击后回到初始放电密度还能够保留初始容量的80%。循环伏安测试表明混合相电极具有两种嵌锂动力学机制,而电化学阻抗测试说明混合相的阻抗比纯锐钛矿的阻抗要大。

通过以上电化学测试结果表明,锐钛矿和金红石混合相结构具有更优异的电化学性能,这是由纳米金红石二氧化钛（CY-TA18)本身的性质、晶体缺陷对锂离子的传递起促进作用与缺陷对电子传递的阻碍作用三个方面综合的结果。本实验还采用了TB5（Ti-15V-3Al-3Sn-3Cr）合金做阳极,氧化得到了形貌不均匀,表面成分复杂的氧化层。XPS测试表明合金元素V和Sn在氧化过程中和Ti一起被氧化形成了氧化物V2O5和SnO2。将阳极氧化的合金作为电极材料进行循环伏安测试,结果表明电极表面存在不止一种锂存储动力学机制。电池充放电测试在电流密度5μA/cm2下开展,结果表明阳极氧化的合金的首次充放电比容量为5.5μAh/cm2,是阳极氧化纯钛所释放的比容量的十分之一（55μAh/cm2）。电化学阻抗测试表明,阳极氧化的合金的阻抗是阳极氧化纯钛的十倍。因此,虽然合金材料具有多种锂离子存储动力学机制,但是元素的搭配和阻抗的原因使得它难以充当理想的锂电池电极材料。尽管如此,按照元素的锂电池特性设计钛合金进行阳极氧化仍然是一种改善二氧化钛的理想工艺。