焦磷酸钛六方纳米片合成和电化学性能的研究

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摘要：开发新型低成本安全正极材料来替代现有商业化应用的LiCoO2是一个重要的研究方向。本论文中，采用简单的水热反应以及高温煅烧合成了焦磷酸钛六方纳米片，并考察了其作为一种新型的锂离子电池正极材料的可能性。在20mA/g的电流密度下，其首周放电容量可以达到112.9mAh/g，循环50周后，仍然能保持在90mAh/g;而当电流密度提高到200mA/g时，其可逆容量仍可达78.1mAh/g，容量保持率达到87%。41950

毕业论文关键词：焦磷酸钛，六方纳米片，正极材料，锂电池。

Titanium pyrophosphate hexagonal nanoplates for electrochemical lithium storage

Abstract: Developing safe and low-cost cathode materials for lithium-ion batteries as alternative for LiCoO2 has been a hot topic. In this work, titanium Pyrophosphate hexagonal nanoplates were synthesized via facile hydrothermal reaction followed by a calcination procedure. As new cathode materials for lithium-ion batteries, they demonstrate stable cycle performance and high capacity retention. At the current density of 20 mA/g, a high initial capacity of 112.9 mAh/g is obtained, and can be retained at 90 mAh/g after 50 cycles. When the current density is enhanced to 200 mA/g, a reversible capacity of 78.1 mAh/g still can be obtained, which is about 87% as compared that at 20 mA/g.

Keywords: Titanium pyrophosphate; hexagonal nanoplates; Cathode materials;lithium batteries.

1.引言

与其他化学能源相比，锂离子电池因其具有高的工作电压、大的能量密度、长的循环寿命、无记忆效应等优点，目前已被广泛应用于各种便携式电子设备、电动汽车和混合电动汽车。[1] 目前已经市场化的锂电池正极材料包括锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂和三元材料等产品。正极材料的选择，主要基于以下几个因素考虑：

（1）锂元素含量高，材料堆积密度高，使锂离子电池具有较高的能量密度；

（2）化学反应过程中的结构稳定性要好，使得锂离子电池具有长循环寿命；

（3）电导率要高，使得锂离子电池具有良好的充放电倍率性能；

（4）化学稳定性和热稳定性要好,不易分解和发热，使得锂离子电池具有良好的安全性；

（5）价格便宜，储量丰富使得锂离子电池的成本足够低；

（6）制造工艺相对简单，便于大规模生产；

（7）对环境的污染低，易于回收利用。

在商业化的锂离子电池中，LiCoO2是最被广泛应用的锂离子电池正极材料，然而钴氧化物材料中较低的钴利用率、成本高、环境和安全性的问题, [2-5]限制了其进一步的发展。因此，研究者付出了大量的努力来寻找一种新型的聚阴离子型的阴极材料。例如磷酸铁锂，它具有有序规整的橄榄石型结构，材料中的聚阴离子对整个框架结构起到很好的稳定作用，使得具有良好的循环性能和热稳定性。同时这样的聚阴离子型构架有助于形成高的氧化还原电位、促进的锂离子运输、显著提高电池的电化学性能和循环稳定性 [3-5]。因此，研究者对聚阴离子型阴极材料进行了广泛地研究。[6,7]在这些材料中，除了已经报道的高性能的阴极材料磷酸铁锂之外，其他的焦磷酸盐也备受关注。焦磷酸盐的二维通道结构能够促进锂离子的嵌入和脱出，并且在不引入导电添加剂的情况下使其拥有较高的可逆容量。[7-10]

钛相对于普通的铁和锰而言具有较轻的原子质量，同时它还具有环境无害和低成本的优点。此外，钛离子的氧化还原电对具有良好的可逆性。同时对于纳米结构电极材料，当材料粒径降低到纳米级时，可以有效的缩短电子和离子的传输距离，增加电解质和电极的接触面积，同时更好容纳脱嵌锂过程中应变，从而提高电池的循环寿命。 [11]因此，本文通过一种简单水热反应和煅烧的方法来制取焦磷酸钛六方纳米片。其作为一种新型的锂离子电池正极材料，在不同的电流密度下表现出稳定的循环性能和较高的容量。