纳米TiO2-B的电子/晶体结构调制及其镁离子输运性质研究

Titanium dioxide (TiO2) has attracted great attention in its usefulness as a safe, non-polluting material for the construction of cathodes in magnesium-ion batteries. TiO2-B, a monoclinic form of TiO2, is one of the most ideal choices for this use based on its higher theoretical capacitance and fast ion diffusion along the open channels parallel to the b-axis of the material. However, TiO2 has limited application in high-power conditions due to its relatively low electronic conductivity and poor magnesium ions diffusion Kinetic properties. .This project is proposed in order to study the relationship among the physical properties, electronic/crystal structures and electrochemical performance of TiO2-B, by means of a combination of experimental techniques and first principle calculations. we can propose effective doping strategies (metal and nonmetal ion co-doping) of improving the electric conductivity and ionic diffusion ability of TiO2-B. .We will demonstrate the efficacy of the ion doping mechanism about the electronic structure and crystal structure, as well as increase the electronic conductivity and magnesium-ion transport capacity of TiO2-B. We furthermore intend to improve the high-rate cycling performance by modulating the electronic structure and tailoring the crystal structure of the TiO2-B cathode materials via ion doping. .Based on this research, we will obtain doped TiO2-B cathode materials which will possess exceptional high-rate performance. This project will lay a firm foundation for further research in TiO2-B materials for application towards improving the performance of magnesium-ion batteries. Which provides a reference for the development of other novel magnesium cathode materials.

二氧化钛（TiO2）作为镁离子电池阴极材料具有高安全性、无环境污染等优点，近年来倍受研究者关注。尤其青铜矿相TiO2-B具有更高的理论容量，并且在b轴方向上具有快速离子扩散通道，成为最为理想的镁离子电池阴极材料之一。然而，TiO2-B材料的电子导电率较低，镁离子扩散动力学性质较差，限制了其在大功率条件下的应用。针对上述问题，本项目拟采用第一性原理计算方法与实验研究相结合，探究镁离子插入/脱出过程中，TiO2-B材料的物理性质、结构和电化学性能相互之间的构效关系。提出有效改善TiO2-B电子导电和镁离子扩散能力的掺杂策略（金属与非金属离子共掺杂）。通过对材料结构进行适当的调制与剪裁，揭示离子共掺杂对材料电子结构和晶体结构的影响机理，提高材料的电子导电率和镁离子输运能力，从而提高材料的高倍率充放电性能，为TiO2-B阴极材料在镁离子电池中的应用奠定基础，为其他新型镁电阴极材料的研发提供借鉴。

金属氧化物作为镁离子电池阴极材料在近年来得到了人们越来越多的关注。青铜矿相TiO2-B具有更高的理论容量和快速离子扩散通道，成为理想的镁离子电池阴极材料之一。但其电子导电率较低，镁离子扩散动力学性质较差，限制了其在大功率条件下的应用。针对上述问题，我们从纳米多孔结构材料制备、体相离子掺杂、表面石墨烯复合方面开展了对TiO2-B电子/晶体结构调制的一系列研究工作，提高了材料表面和体相中的电子导电率和镁离子输运性能。（1）采用溶剂热法制备了多孔TiO2-B花状纳米材料，这些纳米花尺寸介于50-100 nm之间，由一系列纳米薄片组成，层面间距较宽，纳米球之间亦有较多孔道，有利于电解液流通，缩短了镁离子传输距离，提高了Mg2+的传输动力学性能。（2）通过铜和镍离子掺杂使得TiO2-B禁带宽度由3.27 eV分别降低到3.19 eV和3.03 eV，提高了电极材料的电子电导率，改善了镁离子扩散输运性能。Mg2+在纯TiO2-B活性材料中的扩散系数为3.74×10-12 cm2 s-1，通过铜和镍离子掺杂将其分别提高到3.24×10-11 cm2 s-1和4.30×10-11 cm2 s-1。通过离子掺杂调控，材料的比容量和倍率性能得到显著提高，镁离子扩散动力学性能得到优化。（3）采用石墨烯表面修饰调控TiO2-B电极材料表面电子导电性和镁离子输运性能。石墨烯具有较大的比表面积和良好的导电性，显著提高了镁离子在电极材料与电解液界面处的扩散动力学性能，并结合离子体相掺杂，材料的镁离子扩散系数提高到8.62×10-11 cm2 s-1，在50 mA g-1电流密度下，放电比容量达到了293 mAh g-1，相比于纯TiO2-B比容量提高了2倍。. 通过对TiO2-B材料一系列的研究，提高了材料的电子导电率和镁离子输运能力，从而提高材料的高倍率充放电性能，为TiO2-B阴极材料在镁离子电池中的应用奠定了很好的基础。