锂离子电池负极材料钛酸锂的研究

论文摘要

本文分别采用高温固相法和溶胶-凝胶法合成锂离子电池负极材料钛酸锂,并采用室温恒流充放电、交流阻抗、循环伏安等测试方法,以及XRD、SEM、TG-DTA对材料进行了表征。考察了固相法制备Li4Ti5O12的工艺条件的影响,并对产物进行了循环伏安和交流阻抗的研究。实验结果表明:原料为锐钛矿TiO2和Li2CO3、焙烧温度为900℃、保温时间为16h得到的材料性能最佳;交流阻抗测试表明Li4Ti5O12表面并不形成钝化膜,将其用做锂离子电池负极材料,比碳负极材料更安全。对固相法制备的钛酸锂材料进行了Ag+、V5+、Sn4+、Mo6+、Ge4+、Nb5+等离子的掺杂。结果表明:Ag+的掺杂比为0.2时,0.2C下循环20次后电池比容量还保持在140.89mAh/g;掺杂Sn4+的量为0.1时,0.1C下循环20次后容量还保持在157.10mAh/g;掺杂Mo6+含量为0.2的材料20次循环后比容量保持在145.86 mAh/g;Ge4+离子掺杂比为0.1时,实验电池表现出了较高的首次放电比容量为174.38mAh/g,接近理论比容量。0.1C循环20次后的比容量还保持156.86mAh/g。采用溶胶-凝胶法合成了Li4Ti5O12材料,考察了不同的操作方法、烧结时间对实验的影响,得到了较为理想的工艺流程。900℃热处理20h后得到的未掺杂钛酸锂,比容量一直保持在120mAh/g左右,有较高的充放电效率。并采用溶胶-凝胶法进行了Mo6+、Nb5+、Ge4+的有效掺杂,掺Mo6+量为0.5材料的大电流放电性能优于未掺杂的,其循环性能也有所改善。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 锂离子电池概述
• 1.2.1 锂离子电池的发展状况
• 1.2.2 锂离子电池的结构及工作原理
• 1.2.3 锂离子电池的特点
• 1.3 锂离子电池负极材料概述
• 1.3.1 锂离子电池负极材料特点
• 1.3.2 碳素材料负极
• 1.3.3 锡基负极材料
• 1.3.4 过渡金属氮化物
• 1.3.5 其他负极材料
• 4Ti₅O₁₂'>1.4 锂钛复合氧化物Li₄Ti₅O₁₂
• 4Ti₅O₁₂ 材料特性'>1.4.1 Li₄Ti₅O₁₂材料特性
• 1.4.2 国内研究现状
• 4Ti₅O₁₂ 负极材料优点和缺点'>1.5 Li₄Ti₅O₁₂负极材料优点和缺点
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 第二章 实验原料、仪器、研究方法
• 2.1 实验原料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 电极制备与电池装配
• 2.3.1 正极的制备
• 2.3.2 负极的制备
• 2.3.3 隔膜
• 2.3.4 电解液
• 2.3.5 电池的装配
• 2.4 测试方法
• 2.4.1 热重-差热（TG-DTA）测试
• 2.4.2 结构与形貌表征
• 2.4.3 电化学性能测试
• 第三章 高温固相法合成钛酸锂
• 3.1 前言
• 3.2 固相反应法概述
• 3.2.1 合成温度
• 3.2.2 合成时间
• 3.2.3 混料的方式
• 3.2.4 其他因素
• 3.3 实验方法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 原料的影响
• 3.4.2 最佳保温时间的确定
• 3.4.3 倍率放电性能分析
• 3.5 钛酸锂的结构和电化学性能
• 3.5.1 钛酸锂的结构
• 3.5.2 钛酸锂的插锂机制
• 3.5.3 钛酸锂的电化学性能
• 3.6 本章小结
• 第四章 钛酸锂掺杂改性的初步探索
• 4.1 掺杂原则
• 4.2 实验部分
• 4.3 结果与讨论
• +位掺杂Ag⁺、V⁵⁺'>4.3.1 Li⁺位掺杂Ag⁺、V⁵⁺
• 4+位掺杂Sn⁴⁺、Mo⁶⁺、Ge⁴⁺、Nb⁵⁺'>4.3.2 Ti⁴⁺位掺杂Sn⁴⁺、Mo⁶⁺、Ge⁴⁺、Nb⁵⁺
• 4.4 本章小结
• 第五章 溶胶—凝胶法制备钛酸锂
• 5.1 溶胶—凝胶法概述
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 实验药品
• 5.2.2 实验过程
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 XRD 谱图
• 5.3.2 SEM 形貌
• 5.3.3 TG-DTA 测试
• 5.3.4 电化学性能分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢