鋰離子電池TiO2負極材料技術分析

傅舒順 江門市力源電子有限公司

近些年來，由于市場對鋰離子電池的要求越來越高，現有的鋰電池負極材料很難滿足要求，因此找到適合的替代材料至關重要。當前，很多研究小組對該領域進行了探索，找到了一些頗具潛力的替代材料，如硅基負極材料、金屬氧化物負極材料、金屬或金屬復合物負極材料等。在所有的新型負極材料當中，過渡金屬氧化物二氧化鈦材料的研究成果相對成熟，其商業化應用的價值較高，未來一段時間有可能實現一定規模的產業化。主要原因如下：從理論上來說，二氧化鈦和鋰離子能夠1:1進行負載，理論比容量為336mAh/g，這一比容量與碳基負極材料接近。二氧化鈦的嵌鋰機理如下：

此式當中，系數x代表嵌鋰系數。上式中元素間存在電子轉移，為氧化還原反應，鋰離子的嵌入與其逆過程可以在相對較高的電勢下進行，從而使得負極材料表面避免出現一些干擾現象。除此之外，二氧化鈦材料在液態電解質中的溶解損失較小，循環性能比較優良，并且地殼中含量較大，因此原料成本低。但是二氧化鈦材料也存在一些問題，例如它的電導率比較低，二氧化鈦的納米顆粒容易出現團聚現象，且鋰離子的擴散性能不佳，這使得二氧化鈦負極材料在電池中的應用收到了一定的限制。為對這些缺點進行改進，國內外眾多的研究小組進行了各種各樣的嘗試，例如對二氧化鈦材料進行納米化、碳包覆或碳復合以及雜原子摻雜改性等。下面對相關研究進行分析。

一、研究現狀

二氧化鈦材料作為一種應用前景十分光明的鋰離子電池負極材料的替代物，近年來大量的研究人員投入其中進行了分析研究，從材料的結晶度、晶粒大小、晶格結構、比表面積、電導率和熱穩定性等方面進行了改良。有研究人員希望用摻雜改性的手段對二氧化鈦材料進行優化，從而提高電化學活性和循環穩定性。

二、納米化

針對二氧化鈦負極材料的電導率低等問題，必須設法提高二氧化鈦材料的電化學活性，而對材料進行納米化是解決這一問題的有效手段。制備納米材料的方法有很多，現在研究人員常用的有模板法、超聲噴霧熱解法、水解法、水解沉淀法等。要想提高二氧化鈦材料的比容量、循環性能，使用納米化的材料能夠降低電子和鋰離子的擴散路徑，從而使得電極材料表面的活性位點增加。近幾年來，為了提高二氧化鈦材料的電化學活性，眾多的研究小組使用多種方法進行實驗。Zhao等人用模板-水解法得到了紙狀分級結構的納米二氧化鈦薄膜材料，這種材料具有良好的電化學活性，倍率性能和循環性能也得到了提高。實驗表明，經過納米化處理的電極材料在放電比容量、倍率及循環性能上皆優于未納米化的材料。經過納米化處理之后的電極材料，其放電比容量最高能夠達到239mAh/g，此外，納米二氧化硅薄膜電極在10C、1-3V條件下，室溫下循環四百次電池比容量下降不超過5%，性能大大提高。

三、碳包覆或與碳復合

Park等人通過水熱法得到了碳包覆TiO2(C-TiO2)納米材料，實驗表明，經過碳包覆之后的電極材料的團聚現象大大降低，而未經碳包覆的電極材料通常粒子之間會經過表面融合形成大的顆粒，進而破壞材料的納米性能。通過比表面積測定之后發現，經過碳包覆之后的電極材料的比表面積遠遠大于未經包覆的材料。此外，碳包覆的二氧化鈦材料電化學活性更高，在25℃、1-3V、250mA/g條件下測得電池的放電比容量達到了285mAh/g，比未經包覆的材料提高了100mAh/g，并且循環50次之后容量保留率達到98%。

四、雜原子摻雜改性

上述兩種方法能夠顯著提高二氧化鈦電極材料的電化學性能，除此之外，利用雜原子摻雜改性也是一種可以選擇的方法。這種方法是將其他電導率高的元素原子通過摻雜入二氧化鈦材料中，以此改善純二氧化鈦電導率低的缺點。利用電導率較高原子的摻雜量的變化可以改變二氧化鈦電極材料的電子電導率和離子電導率，此外，雜原子的摻入使得二氧化鈦晶體的晶格間距增大，避免了導電粒子對晶格的破壞。Ali等人通過溶膠-凝膠法和溶劑熱法得到了Zn-TiO2摻雜電極材料，實驗結果顯示，這種材料在25℃、1-3.5V、0.2C的條件下放電比容量達到了200mAh/g以上，比未摻雜的電極材料高出30mAh/g以上，且在同等條件下循環上百次之后放電容量下降僅10%左右，這說明了雜原子摻雜能夠顯著改善材料的電化學活性。

結語：鋰離子電池作為21世紀一種重要的儲能手段，在生產生活的各個方面應用都十分廣泛。在當前的應用背景下，對鋰離子電池的負極材料進行改進十分必要，而二氧化鈦作為一種金屬氧化物，在地殼中儲量十分豐富，應用前景十分光明，但這種材料的電導率低等問題限制了其應用。本文對當前的二氧化鈦電極材料改進技術進行了分析，主要包括電極材料的納米化、碳包覆或碳復合材料、雜原子摻雜改性等方法，這些方法目前都發展到了一定程度，有了或多或少的應用，要想實現鋰離子電池的更新換代，需要我們在這方面持之以恒的工作，實現這種二氧化鈦材料的商業化應用。