锂离子电池作为能源储存与转化装置在实际生活中得到了广泛的应用,随着电动汽车的普及,人们对锂离子电池性能的要求也日益增加,因此开发充电速度更快、使用寿命更长、更稳定安全的锂离子电池是十分必要的。制约锂离子电池性能的关键在于电极材料,TiO₂(B)作为锂离子电池负极材料具有较高的脱/嵌锂电位,能够避免电解液的分解与锂枝晶的析出,并且TiO₂(B)在脱/嵌锂过程中体积膨胀率仅为4%,故而具有良好的安全性和结构稳定性。此外,TiO₂(B)具有赝电容效应,使其在快速充放电领域有极大的应用前景。由于其安全、体积膨胀率低、具有赝电容效应等特点,TiO₂(B)受到了广泛的关注与研究,但TiO₂(B)较差的导电性及脱/嵌锂过程中的晶格应力阻碍了其商业化应用。本文合成了TiO₂(B)纳米颗粒、TiO₂(B)纳米带与TiO₂(B)纳米花,并对它们进行了相应的优化来提升TiO₂(B)作为锂离子电池电极材料时的电化学性能。主要研究内容如下:(1)以Ti粉、NH₄OH、H₂O₂、C₂H₄O₃和H₂SO₄为原料制备出TiO₂(B)纳米颗粒,再通过湿法包覆技术将PEDOT:PSS包覆于TiO₂(B)纳米颗粒表面形成TiO₂(B)@PEDOT:PSS复合材料。电化学测试结果显示,包覆PEDOT:PSS的电极材料具有更高的比容量及更好的倍率性能。交流阻抗谱结果显示与未包覆的TiO₂(B)纳米颗粒相比,PEDOT:PSS包覆于TiO₂(B)纳米颗粒表面能够有效的降低电池内阻与电荷转移电阻。动力学计算结果表明包覆PEDOT:PSS能够改善锂离子扩散系数。(2)以钛酸四丁酯、冰乙酸、乙醇为原料,通过溶胶凝胶法制备出块状锐钛矿二氧化钛。将购买的二氧化钛(P25)与我们自制的块状锐钛矿二氧化钛作为前驱体,分别加入到10 mol/L的Na OH溶液中反应,得到相应的TiO₂(B)纳米带。材料表征结果显示,以自制的锐钛矿作为前驱体所制备的TiO₂(B)纳米带的宽度为50-150 nm,比P25前驱体所制备的TiO₂(B)纳米带宽度(100-250 nm)更窄。不同扫描速度下的CV曲线测试结果表明,TiO₂(B)以赝电容的形式进行储锂,而锐钛矿以离子扩散的形式进行储锂。赝电容计算结果表明,随着扫描速率的增加,赝电容所占比例上升,说明在高倍率下以赝电容储锂为主。充放电测试与倍率测试结果显示,以溶胶凝胶法合成前驱体所制备的TiO₂(B)纳米带具有更好的倍率性能与更高的比容量,将溶胶凝胶法合成前驱体所制备的TiO₂(B)纳米带以1C进行充放电测试,循环350圈后其容量保留率为99.1%。(3)以Ti Cl₃、乙二醇为原料制备出TiO₂(B)纳米花,再用石墨粉、K₂S₂O₈、P₂O₅、浓硫酸、H₂O₂和HCl制备出GO(氧化石墨烯)。将TiO₂(B)纳米花与GO混合均匀,以L-抗坏血酸作为还原剂得到TiO₂(B)纳米花石墨烯水凝胶,冷冻干燥后得到TiO₂(B)纳米花石墨烯气凝胶复合材料。场发射扫描电镜结果显示,TiO₂(B)纳米花均匀分布在石墨烯气凝胶形成的三维网状结构中,有效的降低了TiO₂(B)纳米花的团聚,比表面积测试结果表明TiO₂(B)纳米花石墨烯气凝胶复合材料较具有比TiO₂(B)纳米花更大的比表面积。电化学测试结果显示,TiO₂(B)纳米花石墨烯气凝胶复合材料在5 C下充放电循环1000圈,电池比容量从196.8 m Ah/g降低到154m Ah/g,容量保留率为78.2%;在10 C下充放电循环1000圈,电池容量从165.6m Ah/g下降到133.9 m Ah/g,容量保留率为80.8%,展现出了良好的倍率性能与循环稳定性。