锂离子电池TiO2负极材料技术分析

傅舒顺 江门市力源电子有限公司

近些年来，由于市场对锂离子电池的要求越来越高，现有的锂电池负极材料很难满足要求，因此找到适合的替代材料至关重要。当前，很多研究小组对该领域进行了探索，找到了一些颇具潜力的替代材料，如硅基负极材料、金属氧化物负极材料、金属或金属复合物负极材料等。在所有的新型负极材料当中，过渡金属氧化物二氧化钛材料的研究成果相对成熟，其商业化应用的价值较高，未来一段时间有可能实现一定规模的产业化。主要原因如下：从理论上来说，二氧化钛和锂离子能够1:1进行负载，理论比容量为336mAh/g，这一比容量与碳基负极材料接近。二氧化钛的嵌锂机理如下：

此式当中，系数x代表嵌锂系数。上式中元素间存在电子转移，为氧化还原反应，锂离子的嵌入与其逆过程可以在相对较高的电势下进行，从而使得负极材料表面避免出现一些干扰现象。除此之外，二氧化钛材料在液态电解质中的溶解损失较小，循环性能比较优良，并且地壳中含量较大，因此原料成本低。但是二氧化钛材料也存在一些问题，例如它的电导率比较低，二氧化钛的纳米颗粒容易出现团聚现象，且锂离子的扩散性能不佳，这使得二氧化钛负极材料在电池中的应用收到了一定的限制。为对这些缺点进行改进，国内外众多的研究小组进行了各种各样的尝试，例如对二氧化钛材料进行纳米化、碳包覆或碳复合以及杂原子掺杂改性等。下面对相关研究进行分析。

一、研究现状

二氧化钛材料作为一种应用前景十分光明的锂离子电池负极材料的替代物，近年来大量的研究人员投入其中进行了分析研究，从材料的结晶度、晶粒大小、晶格结构、比表面积、电导率和热稳定性等方面进行了改良。有研究人员希望用掺杂改性的手段对二氧化钛材料进行优化，从而提高电化学活性和循环稳定性。

二、纳米化

针对二氧化钛负极材料的电导率低等问题，必须设法提高二氧化钛材料的电化学活性，而对材料进行纳米化是解决这一问题的有效手段。制备纳米材料的方法有很多，现在研究人员常用的有模板法、超声喷雾热解法、水解法、水解沉淀法等。要想提高二氧化钛材料的比容量、循环性能，使用纳米化的材料能够降低电子和锂离子的扩散路径，从而使得电极材料表面的活性位点增加。近几年来，为了提高二氧化钛材料的电化学活性，众多的研究小组使用多种方法进行实验。Zhao等人用模板-水解法得到了纸状分级结构的纳米二氧化钛薄膜材料，这种材料具有良好的电化学活性，倍率性能和循环性能也得到了提高。实验表明，经过纳米化处理的电极材料在放电比容量、倍率及循环性能上皆优于未纳米化的材料。经过纳米化处理之后的电极材料，其放电比容量最高能够达到239mAh/g，此外，纳米二氧化硅薄膜电极在10C、1-3V条件下，室温下循环四百次电池比容量下降不超过5%，性能大大提高。

三、碳包覆或与碳复合

Park等人通过水热法得到了碳包覆TiO2(C-TiO2)纳米材料，实验表明，经过碳包覆之后的电极材料的团聚现象大大降低，而未经碳包覆的电极材料通常粒子之间会经过表面融合形成大的颗粒，进而破坏材料的纳米性能。通过比表面积测定之后发现，经过碳包覆之后的电极材料的比表面积远远大于未经包覆的材料。此外，碳包覆的二氧化钛材料电化学活性更高，在25℃、1-3V、250mA/g条件下测得电池的放电比容量达到了285mAh/g，比未经包覆的材料提高了100mAh/g，并且循环50次之后容量保留率达到98%。

四、杂原子掺杂改性

上述两种方法能够显著提高二氧化钛电极材料的电化学性能，除此之外，利用杂原子掺杂改性也是一种可以选择的方法。这种方法是将其他电导率高的元素原子通过掺杂入二氧化钛材料中，以此改善纯二氧化钛电导率低的缺点。利用电导率较高原子的掺杂量的变化可以改变二氧化钛电极材料的电子电导率和离子电导率，此外，杂原子的掺入使得二氧化钛晶体的晶格间距增大，避免了导电粒子对晶格的破坏。Ali等人通过溶胶-凝胶法和溶剂热法得到了Zn-TiO2掺杂电极材料，实验结果显示，这种材料在25℃、1-3.5V、0.2C的条件下放电比容量达到了200mAh/g以上，比未掺杂的电极材料高出30mAh/g以上，且在同等条件下循环上百次之后放电容量下降仅10%左右，这说明了杂原子掺杂能够显著改善材料的电化学活性。

结语：锂离子电池作为21世纪一种重要的储能手段，在生产生活的各个方面应用都十分广泛。在当前的应用背景下，对锂离子电池的负极材料进行改进十分必要，而二氧化钛作为一种金属氧化物，在地壳中储量十分丰富，应用前景十分光明，但这种材料的电导率低等问题限制了其应用。本文对当前的二氧化钛电极材料改进技术进行了分析，主要包括电极材料的纳米化、碳包覆或碳复合材料、杂原子掺杂改性等方法，这些方法目前都发展到了一定程度，有了或多或少的应用，要想实现锂离子电池的更新换代，需要我们在这方面持之以恒的工作，实现这种二氧化钛材料的商业化应用。