摘要
随着人类社会对能源需求的增加，研究开发高能量密度和高功率密度的锂离子电池成为众多研究学者们的目标。尖晶石型Li4Ti5O12基于良好的安全性和优异的循环稳定性的特点备受关注。然而，较低的理论比容量、较差的导电性和较高的生产成本阻碍了其大规模的应用。针对如上问题，本文以金属Ti为原材料，通过简单电解法制备出了纳米纤维状KxNayH(2-x-y)Ti2O5，证实了其具有的优异的储锂性能。通过原位阻抗等方法研究了电极储能过程中的动力学行为。通过优化制备工艺条件，探究了不同因素对材料的影响，并进一步探索了材料的储钠性能，为该体系钛酸盐的应用提供了数据依据。具体结果如下： （1）以金属Ti为原料，采用简单电解法获得了三维团簇结构的KxNayH(2-x-y)Ti2O5纳米纤维。作为锂离子电池负极，其比容量可达323mAhg-1，其中，0.05-1.5Vvs.Li+/Li电位范围部分贡献189.96mAhg-1。在1000mAg-1电流密度下可稳定循环3300次以上，容量保持率达58%。低于1Vvs.Li+/Li的工作电位和71.5%的高电容贡献，使材料的全电池在24.8-524.7Wkg-1功率密度范围内，提供了221.8-63.3Whkg-1的高能量密度。 （2）通过GITT测试获得了KxNayH(2-x-y)Ti2O5的扩散系数（10-8.5-10-5cm2s-1）。并进一步分析了原位EIS的Nyquist图中Rct值的规律变化，提出了该负极在储能过程中抑制Li枝晶形成的“开关机制”。通过分析原位Bode相图，对特征频率与储能活性位点的关系进行了理论推导，揭示了Li+不同的嵌入和脱出路径。通过原位的XRD和AC-TEM测试揭示了该材料储锂过程中的结构稳定性，证实了其具有的零应变特性。 （3）通过改变煅烧温度、材料制备过程中电解液中离子浓度（K+、Na+、Cl-和OH-）、加入表面活性剂等方式对工艺进一步优化，并对该系列钛酸盐进行了扩展研究。探究了Na+在材料储能性能和形貌中的优化作用。在储钠测试中，1000mAg-1电流密度下，加入表面活性剂后制备的KxNayH(2-x-y)Ti2O5可稳定循环7000次，容量保持率为41%。初代KxNayH(2-x-y)Ti2O5在稳定循环6400次后容量保持率为54.5%。
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