燃烧法合成钛铁基锂/钠离子电池负极材料及其电化学行为研究

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锂离子电池凭借工作电压高、能量密度大、循环寿命长、无记忆效应等诸多优势在产业界备受青睐。同时,钠作为与锂相邻的碱金属,具有与锂相近的物理化学性质,且储量丰富、廉价易得等优势,钠离子电池的研究也备受关注。电极材料性能决定电池的整体性能。在负极材料中,钛基材料因结构稳定、性能安全、体积膨胀小等优点备受瞩目,但其容量较低、合成成本较高的缺点也不同忽视。本论文用简单快速的溶液燃烧法,引入廉价易得的Fe源,制备出由一次纳米粒子粘结成具有三维多孔网状结构的Fe2TiO5和NaFeTi3O8材料,Fe2TiO5应用于锂离子体系,而NaFeTi3O8用于钠离子电池体系,结果如下:(1)Fe2TiO5应用于锂离子电池体系,耦合TiO2的结构稳定性和Fe2O3的高容量的优势,电化学性能表征表明,经过100圈循环后,Fe2TiO5材料保持371.4 mAh g-1的放电容量,且进行大电流(3.2 A g-1)放电时,仍具有76.6 mAh g-1的容量。综合Raman、XPS和EIS测试结果,合理推测出Fe2TiO5可能的电化学反应行为,判断首圈不可逆容量可能是由于Fe2TiO5发生的晶体转化引起,优异的循环稳定性可能是Fe2O3和TiO2的结构协同作用的结果。(2)在钠离子电池负极材料中,溶液燃烧法应用于Na-Ti-O体系材料NaFeTi3O8的合成,在合成过程中,助燃剂甘氨酸起造孔作用,形成网状多孔的NaFeTi3O8。其表现出优异的循环性能和倍率性能,在1.6Ag-1的大电流下具有84.4mAhg-1的容量,并且在500 mAg-1的电流密度下经过1000圈长循环后仍具有91 mA hg 1的容量。用非原位XRD和EIS的方法,表明材料嵌脱过程中具有结构稳定性和可逆性,理论计算和扫描电镜观测证实了 NaFeTi3O8在嵌钠过程体积膨胀较小。较高的放电容量、优异的循环稳定性和倍率性能,以及较小的体积膨胀,使得NaFeTi3O8在高倍率和长循环的钠离子电池实际应用成为可能。溶液燃烧法在材料合成中具有液相混合均匀、简单易操作、反应迅速等优点,在电池负极材料应用中,凭借独特的多孔形貌和高比表面积,利于电解液浸润,且纳米级的粒子能有效缩短离子的扩散路径,提高电极的电化学性能。
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