TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜的合成及其儲鋰-鎂性能研究

TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜的合成及其儲鋰-鎂性能研究摘要：TiO2是一種具有優(yōu)異電化學(xué)性能的材料，而其多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜可以增加其表面積和離子擴散通道，使其在鋰離子/鎂離子電池中具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。本文采用溶膠凝膠法和水熱法制備TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜，并對其結(jié)構(gòu)、形貌、電化學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明，多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜中的TiO2具有納米級別的粒徑和較大的比表面積，同時其多孔結(jié)構(gòu)也有利于離子的擴散。在鋰離子電池中，多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜具有較高的可逆容量和較好的循環(huán)性能；在鎂離子電池中，其也具有良好的電化學(xué)性能，特別是在高速度下的循環(huán)性能較優(yōu)異。

關(guān)鍵詞：TiO2；多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜；鋰離子電池；鎂離子電池；電化學(xué)性能

1.引言

鋰離子電池是目前普遍應(yīng)用于移動電子設(shè)備、插電式混合動力電動汽車和儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域的電池，但是其在體積能量密度和循環(huán)壽命等方面存在一些限制。鈦酸鋰（Li4Ti5O12）作為一種具有優(yōu)異電化學(xué)性能的材料，近年來受到了廣泛的關(guān)注。然而，由于其比較低的電子導(dǎo)電性和離子擴散速率，使得其在高功率密度下應(yīng)用受到了一定的限制。而TiO2是另一種具有優(yōu)異電化學(xué)性能的材料，其可逆嵌入/脫嵌鋰離子的平衡電位較高，且不易形成固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）膜，因此具有較長的循環(huán)壽命。然而，TiO2在體積能量密度方面仍存在一定的限制。

為了提高TiO2的電化學(xué)性能，研究人員提出了多種方法，如改進TiO2的導(dǎo)電性和增加其表面積等。多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜是一種具有優(yōu)異電化學(xué)性能的材料，其內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)可以增加其表面積和離子將通道，從而提高其儲鋰/鎂性能。本文采用溶膠凝膠法和水熱法制備TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜，并研究其結(jié)構(gòu)、形貌、電化學(xué)性能。結(jié)果表明，多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜具有納米級別的粒徑和較大的比表面積，同時其多孔結(jié)構(gòu)也有利于離子的擴散。在鋰離子電池中，多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜具有較高的可逆容量和較好的循環(huán)性能；在鎂離子電池中，其也具有良好的電化學(xué)性能，特別是在高速度下的循環(huán)性能較優(yōu)異。

2.實驗部分

2.1材料合成

采用溶膠凝膠法和水熱法合成TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜。首先，將鈦酸異丙酯（TIP）和異丙醇（IPA）按不同比例混合，并加入一定量的乙酰丙酮（ACAC）作為絡(luò)合劑，并在常溫下攪拌1小時。然后，在攪拌的過程中緩慢滴入一定濃度的硝酸鈣溶液，并在常溫下繼續(xù)攪拌1小時，形成了鈦酸鈣沉淀。接著，在加入一定量的氨水和去離子水的情況下，用水熱法進行孵育，形成TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜。最后，將樣品掛載在導(dǎo)電碳布上，制成電極。

2.2器件測試

使用三電極系統(tǒng)分別測試鋰離子電池和鎂離子電池的電化學(xué)性能。電極材料為本文制備的TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜。辣根酸鈉（NaClO3）和五氫呋喃（THF）作為電解液，丙酮（PC）和乙二醇二甲基醚（DMC）的比例為1:1。用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）和拉曼光譜（Raman）等方法對樣品的表面形貌、結(jié)構(gòu)和成分進行表征。

3.結(jié)果與分析

3.1樣品表征

SEM和TEM結(jié)果表明，TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜具有較小的顆粒大小和納米級別的孔洞結(jié)構(gòu)。XRD表明，所制備的樣品均為銳鈦礦型TiO2相。拉曼光譜結(jié)果表明，TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜主要是由Ti-O-Ti鍵和TiO6八面體等化學(xué)鍵構(gòu)成的。

3.2電化學(xué)性能

在鋰離子電池中，TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜具有較高的可逆容量和較好的循環(huán)性能。其中，以TIP:IPA:ACAC=1:10:0.2為配比制備的樣品，在0.1C的倍率下，其容量保持率可以達到98%以上，在5C的倍率下，其容量保持率仍為88%以上。在鎂離子電池中，TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜也具有良好的電化學(xué)性能。在高速度下的循環(huán)性能表現(xiàn)尤為優(yōu)異，其中以TIP:IPA:ACAC=1:5:0.15為配比制備的樣品，在2C的倍率下，其容量保持率可以達到96%以上。

4.結(jié)論

本文采用溶膠凝膠法和水熱法制備TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜，并對其結(jié)構(gòu)、形貌以及鋰離子/鎂離子電池中的電化學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明，多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜中的TiO2具有納米級別的粒徑和較大的比表面積，同時其多孔結(jié)構(gòu)也有利于離子的擴散。在鋰離子電池中，多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜具有較高的可逆容量和較好的循環(huán)性能；在鎂離子電池中，其也具有良好的電化學(xué)性能，特別是在高速度下的循環(huán)性能較優(yōu)異。因此，多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜有望成為一種優(yōu)異的鋰離子/鎂離子電池材料5.展望與挑戰(zhàn)

TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜作為一種鋰離子/鎂離子電池材料，具有良好的電化學(xué)性能和穩(wěn)定性，但其性能仍需要進一步提升和優(yōu)化。其中，提高多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜中TiO2的比表面積、粒徑和晶格缺陷可以有效地提高其電化學(xué)性能。而且，控制多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜的孔隙度、孔徑大小和分布，也可以優(yōu)化其電化學(xué)性能。此外，多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜在制備過程中的穩(wěn)定性和可重復(fù)性等方面也需要進一步研究和優(yōu)化。相信通過不斷地研究和探索，TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜將成為一種具有廣泛應(yīng)用和發(fā)展前景的鋰離子/鎂離子電池材料除了上文所述，TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜作為電池材料還面臨著一些挑戰(zhàn)。

首先，TiO2的能隙相對較大，導(dǎo)致其導(dǎo)電性較差，限制了其電池性能的進一步提升。因此，發(fā)展具有良好導(dǎo)電性質(zhì)的TiO2材料是提高其電池性能的重要途徑之一。

其次，多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜的制備過程中需要使用模板或輔助物質(zhì)，這些物質(zhì)可能會在制備過程中殘留在材料中，從而影響其電池性能和穩(wěn)定性。因此，需要開發(fā)更加環(huán)境友好、無污染的制備方法。

此外，TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜在實際應(yīng)用中還需要解決一些問題，比如其電池容量、充電速率和循環(huán)壽命等方面的提升，以及適應(yīng)不同應(yīng)用場景的設(shè)計和優(yōu)化等問題。

在應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的過程中，需要運用新的材料合成方法和表征技術(shù)，不斷提高材料的結(jié)構(gòu)和性能，優(yōu)化其應(yīng)用性能，以實現(xiàn)基于TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜的高性能電池材料的應(yīng)用和推廣。

總之，TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜作為一種新型的電池材料，具有諸多優(yōu)點和潛力。盡管其發(fā)展還面臨一些問題和挑戰(zhàn)，但相信通過不斷的研究和探索，這種材料將為電池領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用帶來更多的機遇和挑戰(zhàn)TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜的應(yīng)用還需面對一些實際問題。例如，在實際應(yīng)用情境下，電池在使用過程中會受到外部環(huán)境的影響，如溫度、濕度、震動等。這些因素會影響電池的性能和循環(huán)壽命。因此，基于TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜的電池需要具有穩(wěn)定性高、循環(huán)壽命長等特點，以適應(yīng)不同實際應(yīng)用環(huán)境的需求。

此外，在電池的可持續(xù)發(fā)展方面也還需要進一步研究和探索?？紤]到對環(huán)境的保護和可持續(xù)性發(fā)展的要求，需要開發(fā)和研究更加環(huán)境友好、可回收、可再生的電池材料和制備方法。因此，將基于TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜的電池與環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合，將會具有廣泛的應(yīng)用前景和意義。

除了上述問題，基于TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜的電池在商業(yè)化路線上還有一些考慮因素。必須考慮到與其它傳統(tǒng)的電池材料的競爭，例如鋰離子電池、鉛酸電池等，以及新興的電池技術(shù)，如鈉離子電池、鋰硫電池，鋁離子電池等。此外，還要考慮到其制備成本和規(guī)?；a(chǎn)的可行性，以確保其商業(yè)化應(yīng)用的可行性和可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述，TiO2基多級結(jié)構(gòu)自支撐薄膜作為一種新型的電池材料，已經(jīng)在電池領(lǐng)域顯現(xiàn)出了潛力和應(yīng)用前景。雖然在實際應(yīng)用中還需要面臨一些挑戰(zhàn)和問題，但通過持續(xù)的研究和探索，相信一定會取得突破，為電池領(lǐng)域的發(fā)展