论文题目: Li4Ti5O12基混合超级电容器负极材料的开发及相关机理研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 有色金属冶金
作者: 杨建文
导师: 钟海云
关键词: 基负极材料,制备,电化学性能,掺杂改性,混合超级电容器
文献来源: 中南大学
发表年度: 2005
论文摘要: 超级电容器是一种能量密度高、功率密度大、使用寿命长的新型能源器件,具有广泛的应用需求和巨大的市场前景。目前研究主要集中于更进一步提高电极材料的能量密度和降低成本。本文研究开发出的Li4Ti5O12基负极材料具有能量密度高、循环性能稳定、可进行大电流放电、价格低廉等性能,是新型混合超级电容器的理想负极材料。 首次研究了以无定形TiO2为原料,通过固相反应法和溶胶-凝胶法二种工艺合成Li4Ti5O12,实现了原料和工艺低成本化。采用正交设计实验,对温度、原料、时间、反应物配比等工艺条件进行了研究,固相反应法在950℃下仅需12h左右就可以合成纯尖晶石相Li4Ti5O12,所用时间比一般固相反应大为缩短。动力学研究表明,较高的反应温度,反应活性较高的无定形TiO2及Li2CO3分解而成的新生态Li2O对固相反应的快速进行有利。 首次开发了水系柠檬酸配合物溶胶-凝胶法合成Li4Ti5O12基氧化物工艺,与固相反应法相比,反应温度更低,时间更短。工艺条件研究表明,配合物形成酸度、Cl-杂质、焙烧温度和时间、原料配比等因素对Li4Yi5O12性能都有重要影响。IR、TGA-DTA、XRD、SEM等检测结果显示,本方法制备的凝胶前驱体与使用有机交联剂的凝胶前驱体结构特征相似,因此可以不使用醇类交联剂而使工艺成本降低;前驱体在焙烧过程中形成锐钛型TiO2中间相,Li4Ti5O12在500℃以下已经开始生成,700℃时已反应完全,产物为纯尖晶石相,800℃下反应产物为疏松多孔粉末,粒度小且分布均匀,电化学性能优良。 电化学性能研究表明,Li4Ti5O12表面不形成钝化膜,循环性能非常稳定,具有典型的两相共存反应特征,脱/嵌锂电位平台十分平坦（电位约1.55V vs.Li/Li+）,其实际容量可达100～150mAh·g-1。Li4Ti5O12的合成方法、嵌锂状态、电导率等因素对电极的电化学反应阻抗、表面双电层电容、交换电流密度等性能都有显著影响,固相反应法与溶胶-凝胶法Li4Ti5O12相比,前者电化学极化严重,大电流充放电性能较差,后者动力学性能更好。采用恒电位间歇滴定法,测定了溶胶.凝胶法Li4Ti5O12中锂离子的扩散系数,其数值为10-9～10-8m·s-1,接近锂离子电池碳负极材料的10倍,因此
论文目录:
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 选题背景
1.2 超级电容器概述
1.2.1 超级电容器基本原理及特性
1.2.2 超级电容器研究
1.3 混合超级电容器研究
1.3.1 混合超级电容器原理及特性
1.3.2 混合超级电容器研究
1.4 锂离子电池负极材料研究
1.4.1 锂离子电池电极材料结构及插层反应
1.4.2 锂离子电池负极材料研究
1.5 Li_4Ti_5O_(12)负极材料研究
1.5.1 Li_4Ti_5O_(12)的物理化学性能
1.5.2 Li_4Ti_5O_(12)的合成
1.5.3 Li_4Ti_5O_(12)的掺杂改性
1.5.4 Li_4Ti_5O_(12)的应用
1.5.5 国内对Li_4Ti_5O_(12)的研究状况
1.6 小结
第二章 实验方案及研究方法
2.1 基本思路
2.2 主要研究内容
2.3 拟解决的关键问题
2.4 主要技术路线
2.5 实验研究方法
2.5.1 Li_4Ti_5O_(12)基材料的合成工艺与机理研究
2.5.2 Li_4Ti_5O_(12)基材料的电化学性能测定
2.5.3 Li_4Ti_5O_(12)基材料／AC混合超级电容器研究
2.5.4 物理性能检测
第三章 Li_4Ti_5O_(12)的固相反应合成研究
3.1 引言
3.2 Li_2O-TiO_2体系简单分析
3.3 实验部分
3.3.1 主要原料及设备
3.3.2 实验方法
3.3.3 性能测试
3.4 实验结果与讨论
3.4.1 正交设计探索实验
3.4.2 用无定形TiO_2合成Li_4Ti_5O_(12)
3.4.3 Li_4Ti_5O_(12)性能测试
3.5 Li_4Ti_5O_(12)固相反应合成动力学机理及特点
3.6 小结
第四章 水系配合物溶胶-凝胶法合成Li_4Ti_5O_(12)研究
4.1 引言
4.2 实验方法
4.2.1 实验试剂
4.2.2 溶胶-凝胶合成及Li_4Ti_5O_(12)制备
4.2.3 性能测试
4.3 溶胶-凝胶前驱体的合成
4.3.1 酸度的影响
4.3.2 氯离子对溶胶-凝胶法的影响
4.3.3 凝胶结构IR分析
4.4 溶胶-凝胶法合成Li_4Ti_5O_(12)
4.4.1 条件优化实验结果
4.4.2 TG-DT分析
4.4.3 XRD分析
4.4.4 粒度与SEM分析
4.4.5 Li_4Ti_5O_(12)电化学性能测试
4.4.6 Li_4Ti_5O_(12)合成工艺比较
4.5 小结
第五章 Li_4Ti_5O_(12)的电化学性能研究
5.1 Li_4Ti_5O_(12)的微观电化学过程
5.1.1 Li_4Ti_5O_(12)的微观结构
5.1.2 Li_4Ti_5O_(12)的嵌锂反应过程
5.2 Li_4Ti_5O_(12)的电化学性能研究
5.2.1 实验方法
5.2.2 结果与讨论
5.3 Li_4Ti_5O_(12)电极的电化学阻抗谱
5.4 Li_4Ti_5O_(12)中锂离子扩散系数的测定
5.4.1 锂离子扩散系数测定方法的选择
5.4.2 PITT法测定锂离子扩散系数理沦
5.4.3 PITT法测定锂离子扩散系数
5.5 小结
第六章 Li_4Ti_5O_(12)的化学掺杂改性研究
6.1 引言
6.2 金属氧化物电极材料掺杂改性机理
6.2.1 金属氧化物电极材料的混合导电机理
6.2.2 电极材料化学掺杂机理
6.2.3 化学掺杂元素的选择
6.3 Li_4Ti_5O_(12)的掺杂改性研究
6.3.1 基本思路
6.3.2 实验方法
6.3.3 掺杂元素的溶胶-凝胶过程
6.3.4 Li_4Ti_5O_(12)中锂的取代掺杂
6.3.5 Li_4Ti_5O_(12)中钛的取代掺杂
6.4 Li_4Ti_5O_(12)基材料性能比较
6.4.1 交流阻抗性能
6.4.2 锂离子扩散系数
6.4.3 循环充放电性能
6.4.4 大电流性能
6.4.5 本研究与文献的比较
6.5 掺杂对锂离子嵌入反应的作用
6.6 小结
第七章 混合超级电容器的研究
7.1 引言
7.2 混合超级电容器原理
7.2.1 混合超级电容器能量贮存与转化机理
7.2.2 混合超级电容器的能量密度模型
7.3 实验
7.3.1 主要实验材料
7.3.2 混合超级电容器的制作
7.3.3 性能测试
7.4 正极活性材料的选择
7.4.1 活性炭材料的选择
7.4.2 活性炭正极材料性能研究
7.5 Li_(1.3)Ti_(1.6)Al_(0.1)O_4／AC有机系混合超级电容器的研制
7.5.1 电极活性材料的大电流性能
7.5.2 混合超级电容器的设计
7.5.3 性能测试
7.5.4 混合超级电容器与超级电容器、锂离子电池的比较
7.6 小结
第八章 总结与展望
参考文献
攻读学位期间主要研究成果
致谢
发布时间: 2006-03-28
参考文献
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相关论文
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