《TiO2介晶的可控合成及其形成機理與儲鋰性能的研究》是依託福州大學，由魏明燈擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：TiO2介晶的可控合成及其形成機理與儲鋰性能的研究
- 依託單位：福州大學
- 項目類別：聯合基金項目
- 項目負責人：魏明燈
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
TiO2介晶既有納米材料特性，又有多孔性質，還具有晶面取向一致性所帶來的電子快速傳輸特點，作為鋰離子電池(LIB)的電極材料展現出優異電化學性能。TiO2合成一般都是採用含Ti有機物或鹵化物作為前驅體，但是水解速率快，難以可控合成目標產物。同時，在製備過程中需要導入有機添加劑以抑制其水解速率，導致反應過程複雜化。針對這些問題，本課題擬製備出系列層狀結構鈦酸鹽納米材料作為Ti源，以抑制反應速率，可控合成具有不同晶相、結構、晶面取向、尺度、維度、形貌和孔特性的TiO2介晶，並構建可控合成體系和闡明形成機理。進一步，將TiO2介晶及其表面修飾而形成的複合物作為LIB負極，利用其固有特性，以提高儲鋰能力，並研製出電化學性能優異的新型LIB負極材料。同時，採用同步輻射原位X-Ray等分析手段，揭示TiO2介晶的形成過程及其固有特性與儲鋰性能之間的關係，為設計合成出新型高性能LIB電極材料奠定理論。
結題摘要
雖然鋰離子電池已廣泛地套用於行動電話、電動汽車、儲能電站等領域，但是其石墨負極的安全性能和倍率性能還難以滿足動力電池發展的需要。因此，研製新型高性能高安全負極材料是一項具有挑戰性的課題。 介晶作為超級結構中一類具有獨特有序的無機固體多孔材料，由亞穩態的納米晶單元通過自組裝而形成一個更大的有序超級結構粒子，形成了分等級結構。因此，這種材料既具有納米多孔特性，有利於縮短離子的傳輸距離，促進電解質溶液在電極內部的快速擴散。同時，介晶內部的納米粒子的晶面取向一致，有利於電子和離子的快速傳輸。 本項目研究以鈦酸鹽氧化物為前驅體，基於不同的反應條件，實現常見晶型TiO2介晶 (銳鈦礦、金紅石、板鈦礦)的晶相、結構、尺度、維度、晶面和形貌等可控制備，構建可控制備體系。同時，基於拓撲轉換機制，首次實現從鈦酸鹽轉換為TiO2-B。研究發現，陰離子基團對TiO2的形成具有決定性的影響。例如，反應體系中存在SO42-離子，由於其具有空間位阻作用，使TiO6八面體重排時只能按照扭曲鏈狀方式排列，從而生成銳鈦礦型晶核。隨著反應時間增加，形成細小納米晶並聚集組裝成準八面體型的銳鈦礦TiO2介晶。另一方面，為了更好地解明介晶的形成機制，我們也以鈦有機物作為前驅體，研究介晶的生長過程，並發現在反應體系中引入表面活性劑，可以獲得特定暴露面的TiO2-B。進一步，利用製備的TiO2介晶作為負極材料，研究它們的電化學性能，並探究其晶相、結構、尺度、維度和形貌對儲鋰性能的影響。同步輻射原位XRD測定結果表明，TiO2介晶的嵌鋰機制與納米粒子不同，具有更高的儲鋰能力。值得一提的是，TiO2-B展現出高容量、高倍率性能和長循環穩定性等特性，可以替代鈦酸鋰成為一種新型高性能負極材料。此外，研究發現TiO2介晶作為電極材料套用於鋰硫電池、鈉離子電池、鈣鈦礦太陽電池等也展示出良好的性能。 因此，本研究不僅成功地研製出高性能、高安全和環境友好新型鋰電池負極材料，還可以為其它介晶材料的可控制備提供理論依據和技術借鑑。
