与传统的储能系统相比,例如铅酸电池,镍镉电池,镍氢电池,锂电池有着高能量密度,操作电压高,循环寿命长,无记忆效应等优点。许多锂电池先进负极材料,例如硅,有着高达4200mAh g-1的理论容量,但是因为在锂离子的嵌入和脱出过程中,容易引起材料体积变化,导致活性物质从电极上脱落。此外,商业负极石墨材料,因其操作电压低,易形成固态电解质隔膜,造成安全隐患和容量衰减。二氧化钛因体积变化小,循环稳定性好,操作电压高,自然界含量丰富等特点被认为是理想的锂电负极材料,受到研究者的广泛关注。但是由于导电性差及充放电时部分锂离子的不可逆脱嵌,因而限制了二氧化钛在锂离子电池中的应用。研究表明掺杂某些异质元素可提高氧化钛的电化学性能,延长锂离子电池的使用寿命。本项目以氧化钛纳米管阵列为模板,采用不同掺杂(液体渗、气体渗)将C、N等元素渗入氧化钛模板,得到“异质元素掺杂的氧化钛纳米管阵列”结构。并以此结构材料为电池电极材料,组装锂离子电池,测试其电化学性能。分析掺杂后氧化钛纳米管阵列结构对锂离子电池性能的影响,揭示C、N掺杂对充放电时离子的嵌入及脱嵌的影响规律,研究元素的掺杂机理。实验中采用阳极氧化方法,在三种不同电解液中制备二氧化钛纳米管,450℃空气中退火后直接作为锂电池电极材料,测试电化学性能。有机溶剂中制备的纳米管无论首次放电容量(220mAh g-1),还是循环三十次后的容量保持率(87.2%)都高于两种水基中制备的纳米管电极,另外有机制备的纳米管的阻抗值减小。在前面工作的基础上,我利用NH4F和H3P04水溶液为电解液制备的纳米管,通过浸泡乙二醇溶剂,然后真空退火得到碳掺杂的二氧化钛纳米管。另外,又以有机溶剂乙二醇为电解液,将阳极氧化制备得氧化钛纳米管,在450℃真空退火过程中不断通入氮气,得到了碳氮共掺杂的氧化钛纳米管。利用碳和碳氮掺杂后的二氧化钛纳米管作为电极,测试其电化学性质。碳和碳氮原子的掺杂明显的改善了锂电池的首次放电容量、库仑效率、循环稳定性、容量保持率以及电极材料表面电阻抗等。