本公开涉及用作锂离子电池中的电极元件的二氧化钛(TiO2)纳米结构，该电极元件通过在1.0‑3.0V和0.01‑3.0V两个电压范围下以2‑100C的充电速率，对电化学电池中的TiO2纳米结构进行充电和放电而形成，其中1C表示175mA/g。TiO2纳米结构在充放电前包含多个附着于其上的导电碳质颗粒。本公开还公开了包含该电极的锂离子电化学电池。本公开还公开了包含多个锂离子电化学电池的锂离子电池。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超常容量的二氧化钛(TiO2)纳米结构用于高功率和高能量锂离子电池相关申请本申请要求2016年2月23日提交的新加坡专利申请No.10201601358R的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
本专利技术一般涉及锂离子电池，尤其涉及锂离子电池的电极，其中该电极由超常容量的二氧化钛纳米结构形成。
技术介绍
具有超快充电和放电速率的高性能锂离子电池(LIB)的开发对于便携式电子设备和电动车辆非常重要。然而，目前商业化的石墨阳极仍然存在潜在的安全问题(热失控)，特别是当LIB以高电流速率工作时，由于其锂电位低(0.2Vvs.Li/Li+)，会形成锂枝晶和固体电解质中间相(SEI)层。因此，需要寻找解决上述挑战的合适电极材料。由于具有更高的操作电位(高于0.8Vvs.Li/Li+)，二氧化钛(TiO2)材料能够避免析锂并且阻止电解质的分解，使得它们有希望成为LIB的安全阳极材料的候选材料。此外，TiO2材料在锂化/脱锂过程中显示出可忽略的结构应变和微小的体积变化(<4％)，使得它们具有高稳定性和长循环寿命。迄今为止，已报道了三种作为阳极材料的TiO2多晶型物，包括金红石、锐钛矿和TiO2-B(青铜)。金红石(四方晶系，P42/mnm)是最热力学稳定的相，然而，研究表明，在块状形式中，只能获得金红石中的一小部分锂化位点，因为一半的八面体间隙位点被占据以形成配位TiO6八面体，导致理论容量低至33.5mAh/g(Li0.1TiO2)。与金红石相比，锐钛矿多晶型物(四方晶系，I41/amd)即使是块状形式也可提供更高的167mAh/g的比容量，相当于Li0.5TiO2。纳米结构材料可以进一步增强表面存储性能并将总容量提高到285mAh/g。然而，在充电/放电过程中，Li+离子通过固态扩散嵌入锐钛矿相/从锐钛矿相中提取，可能削弱其高速率性能。在这些常用的多晶型物中，TiO2-B(单斜晶系，C2/m)具有高达335mAh/g的最高理论容量。与金红石和锐钛矿TiO2相比，TiO2-B含有开放通道结构，有利于赝电容的Li+离子储存。这种开放通道能够改善Li+离子的扩散动力学性能，并且即使在块状形式中也有利于锂离子嵌入。尽管TiO2系材料具有高速率，但TiO2的容量由于锂离子吸收的位点有限，限制在335mAh/g。据文献报道(ReddyM.V.etal.Chem.Rev.2013,113,5364-5457)，TiO2材料第一次循环最高容量为约598mAh/g，并且经60次循环后，容量急剧下降至335mAh/g。因此，仍然需要提供一种改进的TiO2材料，用作锂离子电池中的电极元件，克服或至少缓解上述缺点。
技术实现思路
本公开的一个方面描述了用作锂离子电池中的电极元件的二氧化钛(TiO2)纳米结构。该电极元件可以通过从1.0-3.0V的高电压至0.01-3.0V的低电压，以2-100C的充电速率，对电化学电池中的TiO2纳米结构进行充电和放电而形成，其中1C表示175mA/g。本公开的另一方面公开了一种锂离子电化学电池，其包括由电解质隔开的第一电极和第二电极。第一电极和第二电极中的一个可包括前述方面的TiO2纳米结构。本公开的另一方面提供了一种锂离子电池。该锂离子电池可包括电化学连接的多个前述方面的锂离子电化学电池。本公开的又一方面公开了一种用于形成前述方面的TiO2纳米结构的方法。该方法可以包括：将TiO2纳米结构与痕量的导电碳质颗粒混合并煅烧所得混合物以获得TiO2纳米结构，该TiO2纳米结构具有附着于其上的多个导电碳质颗粒，其中该导电碳质颗粒的重量组成基于所得TiO2纳米结构的总重量为10.0wt％或更低。附图说明在附图中，相同的附图标记在不同视图中通常指代相同的部分。附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明各种实施例的原理上。在下文中，参考以下附图对本专利技术的各种实施例进行描述。图1为(a)TNT和(b)PS-TNT的FESEM图像，(c)经750℃退火2小时后PS-TNT和TNT样品的TGA分析图，(d)不含PS颗粒的纯TNT的激活随温度的变化图，以及(e)在不同电压窗口循环的纯TNT(不添加聚苯乙烯)的电化学性能图。应当注意，在(e)中，与PS-TNT的性能相比，0.01V-3.0V，0.2V-3.0V，0.5V-3.0V和1V-3.0V下的性能均显示出微小的激活现象。图2显示了PS-TNT作为阳极在0.01-3V下测试的电化学性能。(a)PS-TNT纳米管在不同测试速率下的循环性能：(i)2,4,10,20C的速率相关性能，(ii)60C的速率性能，(iii)2C的速率性能(1C＝175mAg-1)。(b)第一次循环和10000次循环的PS-TNT的放电曲线。当将PS-TNT电池的容量分成0.01-1.0V区域和1.0-3.0V区域时，在10000次循环后0.01V-1.0V区域占据容量的支配位置。(c)确切的充电时间与充电容量之间的相关性。(d)充电容量与不同充电速率的相关性(1C＝175mAg-1)。评估PS-TNT电池在不同速率下的电化学性能以监测激活过程。在约第800次循环时，2C的容量达到1200mAhg-1的最高容量。随着速率的增加，容量峰值下降，容量峰处的循环次数增加。图3显示(a)在10110次循环测试后PS-TNT的后电化学性能；(b)10110次循环测试后PS-TNT的充放电电压曲线；(c)充电时间与充电容量的相关性。图4显示循环后PS-TNT的TEM图像，(a-b)10000次循环测试后PS-TNT的低倍率TEM图像。(b)图像取自(a)中的正方形部分。(c)和(d)分别为取自(b)中的(I)和(II)的高倍率TEM图像。(e-h)取自扫描透射电子显微镜(STEM)模式：(e)STEM图像，(b)能量色散X射线光谱(EDX)，(g)Ti元素分布图；(h)O元素分布图。图5显示了高速率循环时PS-TNT的演变。(a)PS-TNT的逐步激活随循环次数的演变；(b)制备所得的PS-TNT和经10000次循环测试后的XRD图。(c)不同循环次数后PS-TNT的EIS光谱(阻抗谱图)。循环次数标记来自图5(a)。X轴是实阻抗(Z')，Y轴是虚阻抗(Z”)。为了更好地监测PS-TNT电池的容量激活过程，将电池每在60C下进行1000次循环，然后在2C下进行5次循环。从初始状态的160mAhg-1到第11000次循环的900mAhg-1，逐渐增加2C容量。图6显示了制备所得的PS-TNT(a-b)低倍率和(c)高倍率下的TEM图像。图7显示了制备所得的PS-TNT进行10000次循环后在铜网格上的不同位置处的TEM图像。图8显示了PS-TNT的充电和放电曲线，表明锐钛矿TiO2和TiO2-B的出现。图9显示了碳物质(聚苯乙烯球、碳纳米管(CNT)、还原氧化石墨烯(GO))对退火后获得的TNT的电化学性能的影响。图10显示(a)制备所得的PS-TNT样品放电至1V和(b)经10000次循环的PS-TNT样品放电至0.01V的Ti2p峰的高分辨率XPS光谱；(c)制备所得的PS-TNT样品(黑线)、在1-3V之间循环的PS-TNT样品(红线)和在0.01-3V之间循环的PS-TNT样品本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用作锂离子电池中的电极元件的二氧化钛(TiO2)纳米结构，该电极元件可以通过从1.0‑3.0V的高电压至0.01‑3.0V的低电压，以2‑100C的充电速率，对电化学电池中的TiO2纳米结构进行充电和放电而形成，其中1C表示175mA/g。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.23 SG 10201601358R1.一种用作锂离子电池中的电极元件的二氧化钛(TiO2)纳米结构，该电极元件可以通过从1.0-3.0V的高电压至0.01-3.0V的低电压，以2-100C的充电速率，对电化学电池中的TiO2纳米结构进行充电和放电而形成，其中1C表示175mA/g。2.如权利要求1所述的TiO2纳米结构，其中在所述充电和放电过程之前，所述TiO2纳米结构包括附着于其上的多个导电碳质颗粒。3.如权利要求2所述的TiO2纳米结构，其中所述多个导电碳质颗粒衍生自导电碳物质或导电碳基材料。4.如权利要求3所述的TiO2纳米结构，其中所述导电碳物质或所述导电碳基材料包括聚苯乙烯、碳纳米管、还原氧化石墨烯或来自各种前体材料或任何其他导电碳物质的热衍生导电碳材料。5.如权利要求1至4中任一项所述的TiO2纳米结构，其中在所述充电和放电过程之前，所述TiO2纳米结构由结晶相组成。6.如权利要求5所述的TiO2纳米结构，其中在所述充电和放电过程之前，所述TiO2纳米结构由(i)锐钛矿相，或(ii)TiO2-青铜相组成。7.如权利要求1至4中任一项所述的TiO2纳米结构，其中在所述充电和放电过程之前，所述TiO2纳米结构由非晶相组成。8.如权利要求1至6中任一项所述的TiO2纳米结构，其中在所述充电和放电过程之后，所述TiO2纳米结构由结晶相和非晶相组成。9.如权利要求8所述的Ti...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓东，汤育欣，
申请(专利权)人：南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG
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