锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的制备、改性及电化学性能研究

论文摘要

目前锂离子电池广泛采用的石墨类碳负极材料不可逆容量损失较大,而且存在安全性问题。Li4Ti5O12作为锂离子电池负极材料时不存在上述问题,并且在充放电时结构几乎不发生变化被称为“零应变”材料,具有非常优越的循环性能,因而引起很多科研工作者的兴趣。粒度和形貌等对材料的电化学性能有较大影响,深入系统地研究其相互关系具有重要意义。为此,本论文在尖晶石Li4Ti5O12负极材料的各种合成方法、合成机理方面进行了较多研究。针对钛盐水解速度快且难控制的特点,本论文采用了多种络合剂通过络合离解与水解的调控开展工作并对其机理进行研究。为在Li4Ti5O12工作基础上探寻具有更高比容量及较低平台电压的新型锂离子电池用负极材料,本论文还在掺杂固溶体Li4Ti5-xMxO12（M=Cr、Mn、Ni、Co）及Li4Ti5O12/ SnO2复合材料的制备及电化学性能研究等方面做了很多有益的探索性研究。第一章综述了锂离子电池负极材料的研究进展和尖晶石Li4Ti5O12负极材料的研究现状,提出了本论文的选题意义以及需要解决的相关科学问题。第二章利用自制高活性锐钛矿型TiO2为钛源,以低熔点醋酸锂为锂源兼燃烧剂,采用熔融浸渍法成功地在较低温度下合成单相尖晶石Li4Ti5O12。研究了烧结温度对产物电化学性能的影响,并从动力学角度研究了反应过程。研究结果表明,反应时LiAc·2H2O熔融提供Li+离子扩散的液相环境,致使由扩散控制的反应更易进行。本章的研究结果为其他无机材料的制备提供了思路参考。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract（英文摘要）
• 第一章 锂离子电池及负极材料研究进展
• 1.1 概述
• 1.2 锂离子电池的发展状况
• 1.3 锂离子电池的特点
• 1.4 锂离子电池的结构及工作原理
• 1.5 电极材料概述
• 1.5.1 锂离子电池正极材料
• 1.5.2 电解质材料
• 1.5.3 锂离子电池负极材料
• 1.5.3.1 碳素负极材料
• 1.5.3.2 锂过渡金属氮化物负极材料
• 1.5.3.3 过渡金属氧化物及其合金
• 4Ti₅O₁₂的研究进展'>1.5.4 负极材料Li₄Ti₅O₁₂的研究进展
• 1.6 选题意义与研究内容
• 4Ti₅O₁₂及其电化学性能研究'>第二章 熔融浸渍法合成Li₄Ti₅O₁₂及其电化学性能研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验设计
• 2.1.2 材料的制备
• 2'>2.1.2.1 均匀液相沉淀法制备TiO₂
• 4Ti₅O₁₂'>2.1.2.2 熔融浸渍法制备Li₄Ti₅O₁₂
• 2.1.3 合成样品的测试分析
• 2.1.4 合成样品的电化学性能测试
• 2.2 结果与讨论
• 2 的X－射线衍射分析'>2.2.1 TiO₂的X－射线衍射分析
• 2 的IR 分析'>2.2.2 TiO₂ 的IR 分析
• 2.2.3 熔融浸渍法前驱体的TG-DTA 分析
• 4Ti₅O₁₂ 样品的XRD 分析'>2.2.4 Li₄Ti₅O₁₂ 样品的XRD 分析
• 4Ti₅O₁₂中钛含量'>2.2.5 分光光度法测定Li₄Ti₅O₁₂中钛含量
• 4Ti₅O₁₂的电化学性能研究'>2.2.6 Li₄Ti₅O₁₂的电化学性能研究
• 4Ti₅O₁₂循环性能的影响'>2.2.6.1 热处理温度对Li₄Ti₅O₁₂循环性能的影响
• 2.2.6.2 产物的高倍率循环性能研究
• 4Ti₅O₁₂的循环伏安特性'>2.2.6.3 Li₄Ti₅O₁₂的循环伏安特性
• 4Ti₅O₁₂反应动力学研究'>2.3 熔融浸渍法合成Li₄Ti₅O₁₂反应动力学研究
• 2.4 本章小结
• 2.5 本章工作特色
• 4Ti₅O₁₂及其电化学性能研究'>第三章 三乙醇胺溶胶－凝胶法合成Li₄Ti₅O₁₂及其电化学性能研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验设计
• 3.1.2 材料的制备
• 3.1.3 合成样品的测试分析
• 3.1.4 合成样品的电化学性能测试
• 3.2 结果与讨论
• 4Ti₅O₁₂凝胶前驱体的TG-DTA 分析'>3.2.1 Li₄Ti₅O₁₂凝胶前驱体的TG-DTA 分析
• 3.2.2 合成样品的XRD 分析
• 3.2.2.1 热处理温度对材料物相的影响
• 3.2.2.2 热处理时间对材料物相的影响
• 3.2.2.3 前驱体中三乙醇胺量不同对材料物相的影响
• 4Ti₅O₁₂ 的IR 分析'>3.2.3 Li₄Ti₅O₁₂ 的IR 分析
• 4Ti₅O₁₂ 的SEM 分析'>3.2.4 Li₄Ti₅O₁₂ 的SEM 分析
• 3.2.5 反应机理研究
• 4Ti₅O₁₂中钛含量'>3.2.6 分光光度法测定Li₄Ti₅O₁₂中钛含量
• 3.2.7 合成样品的电化学性能研究
• 3.2.7.1 三乙醇胺量不同对材料电化学性能影响
• 3.2.7.2 热处理时间对电化学性能的影响
• 3.2.7.3 高倍率电流下循环性能研究
• 4Ti₅O₁₂的循环伏安特性'>3.2.7.4 Li₄Ti₅O₁₂的循环伏安特性
• 3.3 本章小结
• 3.4 本章工作特色及新意
• 4Ti₅O₁₂及其电化学性能研究'>第四章 草酸溶胶－凝胶法制备Li₄Ti₅O₁₂及其电化学性能研究
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验设计
• 4.1.2 材料的制备
• 4.1.3 合成样品的测试分析
• 4.1.4 合成样品的电化学性能测试
• 4.2 结果与讨论
• 4Ti₅O₁₂前驱体的TG-DTA 分析'>4.2.1 Li₄Ti₅O₁₂前驱体的TG-DTA 分析
• 4Ti₅O₁₂的XRD 分析'>4.2.2 Li₄Ti₅O₁₂的XRD 分析
• 4.2.2.1 热处理温度对材料物相的影响
• 4.2.2.2 热处理时间对材料物相的影响
• 4.2.2.3 前驱体中草酸量不同对材料物相的影响
• 4Ti₅O₁₂的IR 分析'>4.2.3 Li₄Ti₅O₁₂的IR 分析
• 4Ti₅O₁₂ 的SEM 分析'>4.2.4 Li₄Ti₅O₁₂ 的SEM 分析
• 4Ti₅O₁₂中钛含量'>4.2.5 分光光度法测定Li₄Ti₅O₁₂中钛含量
• 4.2.6 合成样品的电化学性能研究
• 4.2.6.1 热处理温度对材料电化学性能的影响
• 4.2.6.2 热处理时间对材料电化学性能的影响
• 4.2.6.3 前驱体中草酸量不同对材料电化学性能的影响
• 4.2.6.4 较高电流倍率下循环性能研究
• 4.3 本章小结
• 4.4 本章工作特色及新意
• 4Ti₅O₁₂及其电化学性能研究'>第五章 柠檬酸溶胶－凝胶法Li₄Ti₅O₁₂及其电化学性能研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验设计
• 5.1.2 材料的制备
• 5.1.3 合成样品的测试分析
• 5.1.4 合成样品的电化学性能测试
• 5.2 结果与讨论
• 4Ti₅O₁₂ 凝胶前驱体的TG-DTA 分析'>5.2.1 Li₄Ti₅O₁₂ 凝胶前驱体的TG-DTA 分析
• 5.2.2 合成样品的XRD 分析
• 5.2.2.1 热处理温度对材料物相的影响
• 5.2.2.2 前驱体中柠檬酸量不同对材料结构的影响
• 5.2.2.2 锂源不同对材料物相的影响
• 4Ti₅O₁₂ 的IR 分析'>5.2.3 Li₄Ti₅O₁₂ 的IR 分析
• 4Ti₅O₁₂的SEM 分析'>5.2.4 Li₄Ti₅O₁₂的SEM 分析
• 5.2.5 合成样品的电化学性能研究
• 5.2.5.1 前驱体中柠檬酸量不同对材料电化学性能的影响
• 5.2.5.2 锂源不同对材料电化学性能的影响
• 5.2.5.3 锂计量对材料电化学性能的影响
• 4Ti₅O₁₂的循环伏安特性'>5.2.5.4 Li₄Ti₅O₁₂的循环伏安特性
• 5.3 本章小结
• 5.4 本章工作特色
• 4Ti_5-xMxO₁₂（M=Cr、Mn、Ni、Co）的电化学性能研究'>第六章掺杂化合物Li₄Ti_5-xMxO₁₂（M=Cr、Mn、Ni、Co）的电化学性能研究
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 实验设计
• 4Ti_5-xM_xO₁₂材料的制备'>6.1.2 Li₄Ti_5-xM_xO₁₂材料的制备
• 6.1.3 合成样品的测试分析
• 6.1.4 合成样品的电化学性能测试
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 掺杂化合物的XRD 分析
• 4Ti_5-xC_xO₁₂ 的XRD 分析'>6.2.1.1 Li₄Ti_5-xC_xO₁₂ 的XRD 分析
• 4Ti_4.9Mn_0.1O₁₂ 的XRD 分析'>6.2.1.2 Li₄Ti_4.9Mn_0.1O₁₂ 的XRD 分析
• 4Ti_5－xNi_xO₁₂ 的XRD 分析'>6.2.1.3 Li₄Ti_5－xNi_xO₁₂ 的XRD 分析
• 4Ti_5－xCr_xO₁₂ 中钛含量'>6.2.2 分光光度法测定Li₄Ti_5－xCr_xO₁₂中钛含量
• 6.2.3 合成样品的电化学性能研究
• 4Ti_5－xCr_xO₁₂ 材料的电化学性能'>6.2.3.1 Li₄Ti_5－xCr_xO₁₂材料的电化学性能
• 4Ti_4.9Cr_0.1O₁₂的循环伏安特性'>6.2.3.2 Li₄Ti_4.9Cr_0.1O₁₂的循环伏安特性
• 4Ti_5－xMn_xO₁₂材料的电化学性能'>6.2.3.3 Li₄Ti_5－xMn_xO₁₂材料的电化学性能
• 4Ti_5－xNi_xO₁₂材料的电化学性能'>6.2.3.4 Li₄Ti_5－xNi_xO₁₂材料的电化学性能
• 4Ti_4.9Co_0.1O₁₂材料的电化学性能'>6.2.3.5 Li₄Ti_4.9Co_0.1O₁₂材料的电化学性能
• 6.3 本章小结
• 6.4 本章工作特色
• 4Ti₅O₁₂/SnO₂的制备及其电化学性能研究'>第七章 复合材料Li₄Ti₅O₁₂/SnO₂的制备及其电化学性能研究
• 7.1 实验部分
• 7.1.1 材料的制备
• 7.1.2 合成样品的测试分析
• 7.1.3 合成样品的电化学性能测试
• 7.2 结果与讨论
• 4Ti₅O₁₂/SnO₂的XRD 分析'>7.2.1 复合材料Li₄Ti₅O₁₂/SnO₂的XRD 分析
• 4Ti₅O₁₂/SnO₂ 的IR 分析'>7.2.2 复合材料Li₄Ti₅O₁₂/SnO₂ 的IR 分析
• 4Ti₅O₁₂/SnO₂的SEM 分析'>7.2.3 复合材料Li₄Ti₅O₁₂/SnO₂的SEM 分析
• 7.2.4 材料的电化学性能研究
• 4Ti₅O₁₂ 的电化学性能'>7.2.4.1 柠檬酸溶胶－凝胶法制备的Li₄Ti₅O₁₂的电化学性能
• 7.2.4.2 51102 材料的电化学性能
• 4Ti₅O₁₂/SnO₂ 的电化学性能'>7.2.4.3 复合材料Li₄Ti₅O₁₂/SnO₂的电化学性能
• 7.2.5 复合材料容量衰减原因分析
• 7.3 本章小结
• 7.4 本章工作特色与新意
• 第八章 结论与展望
• 参考文献
• 论文创新特色
• 博士期间研究成果
• 致谢