过渡金属掺杂型TiO2电极的储能性能研究文献综述

 2022-11-18 10:39:22

今天，由于气候变化和化石燃料供应的减少，对清洁和可持续能源的需求变得越来越重要。作为功​​能强大的储能设备，可充电锂离子电池（LIB）已经在移动应用中发挥了重要作用。1-5然而，为了满足高速发展的市场需求，新一代的LIB需要功率密度更大，工作更广温度范围，改进的安全性和较低的成本。迄今为止，世界各地的研究小组已经发表了许多关于这个主题的研究，6-8正极材料将是提高锂离子电池性能的关键因素，因为它们比正极材料的容量高得多。然而，由于其电极/电解质界面（称为固体电解质界面（SEI））的复杂性质，在重复的锂离子插入/提取过程中，大部分阳极材料的循环稳定性较差。因此，实验室研究的绝大多数阳极材料在商业应用中表现出较差的性能。到目前为止，由于石墨电极的电位很低（0.1 V），因此在实践中已经被用作大多数LIB的阳极（Li / Li）和高容量（〜300 mA g-1）。9然而，问题包括低功率密度和锂化石墨固体电解质界面（SEI）在高温下的分解，严重限制了其在未来发展中的应用。10.11因此，需要开发克服这些问题的新材料。与石墨相比，二氧化钛（TiO2）具有较高的锂嵌入/脱出电压（相对于Li / Li约为1.7V），通过减少阳极上SEI和锂电镀的过度形成，可以提高电池的安全性。此外，二氧化钛具有很好的电化学性能，高的化学稳定性和无毒性。但是，低固有电导率（1times;10 scm-1）妨碍了TiO2在实际中的应用。为了解决这个问题，已经制备了各种TiO2纳米结构以通过缩短Li来改善其Li离子嵌入性能电子和电子扩散扩大了电极/电解质界面面积，并且促进了插入/提取过程中的应变松弛。12

二氧化钛（TiO2）是一种具有大尺寸扩散隧道（0.372times;0.378 nm2）的网络结构，可以为客体离子调节提供空间位置，并为离子扩散提供合适尺寸的通道。低插入电位（asymp;0.7V），较大的理论容量（335mAh g-1）以及离子添加时的赝电容特性使得特性使得TiO2特别引人注目。13 最近，各种二氧化钛负极材料已经被设计出来，但是它们的钠储存性能相当。 碳纳米结构的二氧化钛棒具有193 mAh g-1的高容量和卓越的高倍率性能。14

目前学界普遍想通过对二氧化钛的加工改善其性能，例如有文献提出用锰掺杂二氧化钛。从同质TiO2纳米球的前体开始重结晶过程。此外，通过离子交换方法将制备的质子化二钛酸酯转化为掺杂Mn的纳米片基球体。然后，将掺杂和未掺杂的质子化二钛酸盐在高温下煅烧并作为用于锂离子电池应用的阳极材料进行测试。未掺杂样品的初始容量为201 mAh g-1，但在55℃下混合电流密度为30,150和500 mA g-1的50次循环后，保留初始容量仅为44.1％，而Mn-在相同的测试条件下，其初始容量为190 mAh g-1，容量保持率为91.4％，具有较高的可逆容量。不同样品之间的比较表明在TiO2纳米片基球表面上的锰离子负责提高电化学性能。基于水热法和离子交换法制备是一种简单有效的制备方法，获得了掺杂Mn的TiO2纳米片基球。 Mn掺杂样品与未掺杂的TiO2纳米片相比，具有较高的可逆容量，循环稳定性和倍率性能。15 提高电化学性能可归因于Mn离子在煅烧过程中抑制晶体结构转化的作用，并改善了电极电解质界面的稳定性。 所有这些作用使得Mn离子交换的TiO2成为下一代LIB的有希望的阳极。 所提出的合成策略也将为相关领域中使用的高性能纳米结构开辟新的机遇。16

还有文章用多层氢化TiO2-II相纳米线阵列负极作为非对称超级电容器提高电池的能量密度和循环寿命。为了提高活性物质的负载量和改善2.4V非对称超级电容器（ASC）TiO2基负极的电导率和离子传输，通过多步法合成了高度有序的不含粘合剂的多层氢化TiO2 -II相纳米线阵列（ML-HTO）电极。由于其高度有序的支架状多层结构，氢化的TiO2-II相，具有小的TiO2晶粒（4.4 nm），高的氧空位（Ti3 ）浓度和功能化的亲水表面，赋予电极高导电性（能量带隙为2.39 eV）更正的平台电位（-0.35 V）和高Na 扩散系数（3.08times;10-8cm2s-1），制备的ML-HTO电极具有较高的活性物质负载量（3.0 mg cm-2），具有较高的面积比电容（710.7 mF cm-2），远高于原始TiO2纳米线阵列电极TO（28.3 mF cm-2）和单层氢化二氧化钛纳米线阵列（HTO）电极（258.7 mF）。因此，首先以ML-HTO电极作为负极，组装2.4V的水系ASC，在349.0W kg -1下表现出90.3W h kg -1的高能量密度，以及在61.0 mW h cm-3表现出高体积能量密度9.6mW h cm-3，，远高于以前报道的大多数水系ASCs。所制备的MnO2// ML-HTO ASC在10000次循环后的容量保持率为65.7％，表明其循环寿命长。17

参考文献

  1. 文献综述
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