液相燃烧法制备锂离子电池负极材料钛酸锂的研究

论文摘要

随着全球电子产业的迅猛发展,新一代的电子设备逐步向着更加小型化与智能化的方向迈进。这种发展趋势对下一代的锂离子电池提出了一系列新的应用条件。高能量密度、高电势、良好的循环性能、良好的高倍率充放电性能以及无污染性成为了研发新型锂离子电池电极材料的基本要求。尖晶石结构的钛酸锂是近年来被开发出的一种新型锂离子电池负极材料。它除了满足上述性能之外,还具有充放电电压平稳,可逆容量高(175mAhg-1)等特点。此外,尖晶石钛酸锂作为一种“零应变”材料,具有极好的理论循环性能。所有这些优点使其成为锂离子电池领域中极具发展前景的电极材料,有着巨大的研究价值和商业应用价值。然而,制备尖晶石钛酸锂材料一般采用固相法。固相法的合成步骤相对简单,但是缺点也很明显,即耗能高以及纯度低。此外,Li4Ti5O12材料的本征电子导电能力(电导率10-13Scm-1)和离子导电能力(锂离子扩散系数约为2×10-8cm2s-1)不高,因此Li4Ti5O12在大电流充放电时容量衰减快、倍率性能较差,限制了其在动力锂离子电池中的应用。本文针对以上问题,以钛酸四丁酯,硝酸锂等为原材料,采用液相燃烧法合成了纳米级纯相钛酸锂以及钛酸锂/碳复合材料,并通过对实验方法以及实验条件的探索,大大改善了燃烧法合成钛酸锂的生产工艺,从而促进了尖晶石型钛酸锂材料在锂离子电池产业中的实际应用。其中获得的主要成果与结论如下:1.通过采用以P123为表面活性剂的燃烧法能够合成具有多孔结构的钛酸锂材料。多孔结构能有效提高钛酸锂材料的电化学性能。2.恰当的热处理能有效改善钛酸锂样品的各项特征。在不同的热处理条件下,能得到具有不同晶粒大小、不同晶粒分散性已经不同纯度的样品。在空气中热处理的样品具有较好的纯度和分散性,但是晶粒尺寸较大;在氩气中热处理的样品具有较小的晶粒尺寸,但是晶粒分散性和纯度较差。3.考虑到在长时间以及高温度的热处理条件下锂元素会因为蒸发而损失,所以在合成之初在原材料中加入适量额外的锂原料是必要的。实验证明,5%10%的额外锂源能有效改善最终产物的纯度。4.在空气中和氩气中对燃烧产物进行热处理,具有5%额外锂源含量的样品均具有最高的首次充放电容量,分别达到了160.7 mAhg-1和163.6 mAhg-1（0.5C）,约为理论容量的93.5%。说明产物的纯度越高,分散性越好,其电化学性能越好。5.不同锂源含量的钛酸锂材料均具有较好的循环性能,在不同的充放电速率下经过30次循环,容量保持率均能保持在96%以上。这是由钛酸锂材料的固有性质决定的。6.对于在氩气中热处理的样品来说,残余碳的存在增强了合成产物的导电性,进而提高了其在高倍率下的充放电。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• CHAPTER 1 INTRODUCTION
• 1.1 Introduction
• 1.2 Summary of lithium ion battery
• 1.2.1 The development of lithium ion battery
• 1.2.2 The structure and working principle of lithium ion battery
• 1.2.3 Comparison between traditional secondary batteries and lithium ion battery
• 1.2.4 Advantages of lithium ion battery
• 1.3 A review of status quo of research on the anode materials of lithium ion battery
• 1.3.1 Carbonaceous materials
• 1.3.2 Alloy anode materials
• 1.3.3 Sn-based anode materials
• 1.3.4 Si-based anode materials.
• 4Ti₅0₁₂ anode material'>1.3.5 Li₄Ti₅0₁₂ anode material
• 1.4 Objective and significance of this study
• CHAPTER 2 EXPERIMENTAL METHODS
• 2.1 Experimental Materials
• 2.2 Experimental method
• 2.3 Materials characterization
• 2.3.1 XRD analysis
• 2.3.2 BET analysis
• 2.3.3 The Scanning Electron Microscope （SEM）
• 2.3.4 Raman spectroscopy
• 2.3.5 Thermogravimetric analysis （TGA）
• 2.3.6 Electrochemical property testing
• CHAPTER 3 EXPERIMENTAL RESULT AND DISCUSSION
• 3.1 Experimental procedure
• 3.2 Results and discussion
• 4Ti₅O₁₂'>3.2.1 Use P123 as surfactant to prepare Li₄Ti₅O₁₂
• 4Ti₅O₁₂'>3.2.2 Different conditions of heat-treatment to prepare Li₄Ti₅O₁₂
• 4Ti₅O₁₂'>3.2.3 Use different content of Lithium source to prepare Li₄Ti₅O₁₂
• 4.3 Summary
• CHAPTER 4 ELECTROCHEMICAL TESTS AND ANALYSIS
• 4.1 Preparation of electrodes and battery assembly
• 4.2 Results of the electrochemical measurement
• 4.2.1 Electrochemical properties of samples that heat-treated in air with various content of Li source
• 4.2.2 Electrochemical properties of samples that heat-treated in Ar with various content of Li source
• 4.3 Summary
• CHAPTER 5 CONCLUSION
• 5.1 Conclusion
• 5.2 Prospect
• REFERENCES