论文总字数：21383字

摘 要

随着人类文明的快速发展，传统不可再生能源被大量消耗，环境污染严重。因此我们急需在新型二次储能电池领域有所突破。而新能源电池的研发需要考虑两个重要的方面，即电池的稳定可持续性能和制造成本。而如今，如何解决新型二次电池的电化学性能是摆在研究人员面前最大的障碍，包括电池的容量、长循环能力和环保问题等。由于锂元素资源面临短缺和开采困难，因此科学家们将目光转移到了铝元素上。作为地球上含量最丰富的金属元素，铝离子还兼具其他元素不可比拟的优点。作为三价金属元素，铝在氧化还原反应期间交换三个电子，因此可以提供比一价锂离子（2062mA h cm ^-3）大约四倍的理论体积容量（8046mA h cm ^-3）。而且，铝具有更强的空气稳定性，因此安全性也比金属锂更强。

在本论文中，我们设计了一种新型介孔TiO₂材料作为铝离子电池的正极材料，金属铝作负极材料，电解质溶液为AlCl₃ / [EMIm] Cl离子液体。其中，介孔TiO₂是以SBA-15二氧化硅模板制备而成。介孔材料由于其高比表面积、发达有序的孔隙结构等优点，十分有利于铝离子的嵌入-脱嵌反应，从而增大电池容量，提高循环效率。

最终电池TiO₂-T在50mA g^-1的电流密度下测试分别获得了55、42、40、29mAh g^-1的最高放电比容量。其中TiO₂-200电池综合性能最好，平均放电比容量较高，但循环效率较差。TiO₂-50、300、600电池循环效率很高，均达到95%以上，但放电比容量较低。

关键词：铝离子电池 介孔二氧化钛 充放电比容量

Study on the aluminum storage performance of mesoporous TiO₂

Abstract

With the rapid development of human civilization, traditional non-renewable energy is consumed in large quantities and the environment is seriously polluted. Therefore, we urgently need a breakthrough in the field of new secondary energy storage batteries. However, the research and development of new energy batteries need to consider two important aspects, that is, the stable and sustainable performance of batteries and manufacturing costs. Now, the biggest obstacle for researchers is how to solve the electrochemical properties of new secondary batteries, including battery capacity, long cycle capacity and environmental protection.With lithium in short supply and difficult to mine, scientists are turning to aluminum. As the most abundant metal element on the earth, aluminum ion also has unmatched advantages over other elements. As a trivalent metal element, aluminum exchanges three electrons during the redox reaction, thus providing about four times the theoretical volume capacity (8046mA h cm ^-3) of univalent lithium ions (2062mA h cm ^-3). Moreover, aluminium is more air-stable and thus safer than lithium.

In this paper, we designed a new type of mesoporous TiO₂ material as the anode material of aluminum ion battery, metal aluminum as the cathode material, and electrolyte solution is AlCl₃ / [EMIm]Cl ionic liquid. Mesoporous TiO₂ was prepared by SBA-15 silica template. Due to its high specific surface area and well-developed and orderly pore structure, mesoporous materials are very conducive to the embedded-de-embedding reaction of aluminum ions, thus increasing the battery capacity and improving the circulation efficiency.

In the end, the maximum discharge capacity of 55、42、40、29mAh g^-1 was obtained by testing TiO₂-T battery under 50mA g^-1 current density, respectively. Among them, TiO₂-200 battery has the best comprehensive performance, higher average discharge capacity, but poor cycle efficiency. TiO₂-50、300 and 600 batteries have high cycle efficiency, reaching above 95%, but low discharge capacity.

Key words：Aluminium ion battery；Mesoporous TiO₂；Charge-discharge specific capacity

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 铝离子电池发展现状 2

1.3 铝离子电池正极材料研究 3

1.3.1 碳材料 4

1.3.2 过渡金属氧化物材料 4

1.3.3 硫/氯化物材料 5

1.4 介孔TiO₂材料介绍 6

1.5 介孔TiO₂的制备方法 6

1.5.1 模板法介绍及应用 7

1.5.2 溶胶-凝胶法 7

1.5.3 水热合成法 8

1.6 实验研究目的 8

第二章 实验部分 9

2.1 主要实验设备与实验材料 9

2.2 介孔TiO₂样品制备 10

2.3 测试与表征 10

2.3.1 XRD测试 10

2.3.2 BET测试 10

2.3.3 电化学性能测试 11

第三章 结果与讨论 12

3.1 介孔TiO₂成分组成分析 12

3.2 介孔TiO₂织构组织分析 13

3.3 铝离子电池性能分析 15

第四章 结论 20

参考文献 21

致谢 24

第一章 绪论

1.1 课题背景与意义

二十一世纪被称为新能源的时代，我们正面临着能源和环境的双重挑战。因此，全世界对于可再生能源技术的开发和利用近年来正在如火如荼的进行。如今，能源转型正在世界各国陆续开展。而可再生能源由于其稳定性和持续性较差等因素需要匹配相应的装置作为储存，例如风能、潮汐能、太阳能等并不能像传统能源那样持续不断的供能，所以储能装置的研发将是人类面临能源发展的一大难关。为了组成高性能的储能系统，需要具有性能优良、可循环充放电、并且安全环保的新型二次电池。

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