锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的制备和电化学性能研究

论文摘要

尖晶石型Li4Ti5O12作为一种新型锂离子电池负极材料,具有“零应变”特性,其循环性能稳定、安全性好、热稳定性高。但是其电子导电率较低,影响材料的倍率性能。本论文从碳包覆改性和材料制备方法两个方面对其进行了研究,成功制备出具有高倍率性能的尖晶石型Li4Ti5O12和Li4Ti5O12/C复合材料,并采用XRD、SEM、TEM、TG和恒流充放电测试、循环伏安、交流阻抗等手段对材料进行结构表征和性能测试。采用固相法以氢氧化锂、锐钛矿型TiO2为原料制备纯相尖晶石型Li4Ti5O12,研究了原料中Li/Ti摩尔比、球磨时间、煅烧温度对Li4Ti5O12材料结构、形貌和性能的影响,结果表明:原料中Li/Ti摩尔比例为0.82,球磨时间为1h,煅烧温度为800℃时合成的Li4Ti5O12电化学性能最佳,该条件下制备的Li4Ti5O12材料粒径在100nm400nm之间,循环稳定性好,但是高倍率性能欠佳,10C时放电容量仅为55.8mAh/g。本文又在该制备条件下,通过在原料中加入碳源制得不同掺碳量的Li4Ti5O12/C复合材料。相对于未掺碳的Li4Ti5O12材料,Li4Ti5O12/C复合材料颗粒明显减小,倍率性能明显提高,其中掺碳量为7.9%的Li4Ti5O12/C复合材料电化学性能最好:以0.5C倍率充放电时,放电容量可达148.6 mAh/g,较未掺碳的Li4Ti5O12提高了11.3mAh/g,在高倍率10C充放电时,放电容量仍高达117.3 mAh/g,是未掺碳的Li4Ti5O12材料的一倍。采用水热法以氢氧化锂和锐钛矿型TiO2为原料成功的制备出具有高倍率性能的纯相尖晶石型Li4Ti5O12材料。研究了氢氧化锂浓度、水热时间、煅烧温度和煅烧时间对Li4Ti5O12材料结构、形貌和性能的影响,得出最佳制备工艺条件为:氢氧化锂浓度为0.2M,水热时间为12h,煅烧温度为700℃,煅烧时间为5h。在最佳制备条件下得到的Li4Ti5O12材料电化学性能优异,以0.5C充放电时,放电容量可达165.3mAh/g,当充放电倍率增加至40C时,放电容量仍能保持在122.5mAh/g,同时材料具有优异的循环性能,当依次在1C、10C、20C、30C、1C倍率下分别循环50圈后,放电容量仍有147.5mAh/g。本文同时分析了水热法制备Li4Ti5O12材料的形成过程,其形成过程可分为水热过程和高温热处理过程:水热过程中,二氧化钛一部分反应生成LiTiO2和Li-Ti-O化合物,一部分未参与反应;在高温热处理过程中,首先是LiTiO2、Li-Ti-O化合物和TiO2反应生成Li2TiO3,再是TiO2和新生成的Li2TiO3反应得到Li4Ti5O12。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 锂离子电池简介
• 1.2.1 锂离子电池的发展简史
• 1.2.2 锂离子电池的结构及工作原理
• 1.3 锂离子电池负极材料概述
• 1.3.1 碳基负极材料
• 1.3.2 合金类负极材料
• 1.3.3 氮化物、磷化物负极材料
• 1.3.4 氧化物负极材料
• 4Ti₅O₁₂ 负极材料研究进展'>1.4 Li₄Ti₅O₁₂负极材料研究进展
• 4Ti₅O₁₂ 结构及嵌锂机制'>1.4.1 Li₄Ti₅O₁₂结构及嵌锂机制
• 4Ti₅O₁₂ 制备方法'>1.4.2 Li₄Ti₅O₁₂制备方法
• 4Ti₅O₁₂ 改性研究'>1.4.3 Li₄Ti₅O₁₂改性研究
• 4Ti₅O₁₂ 电池研究'>1.4.4 Li₄Ti₅O₁₂电池研究
• 4Ti₅O₁₂ 应用'>1.4.5 Li₄Ti₅O₁₂应用
• 1.5 选题依据和研究内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验药品及实验仪器
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 材料合成
• 4Ti₅O₁₂'>2.2.1 固相法制备Li₄Ti₅O₁₂
• 4Ti₅O₁₂'>2.2.2 水热法制备Li₄Ti₅O₁₂
• 2.3 材料的表征
• 2.3.1 X-射线衍射分析（XRD）
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM）
• 2.3.3 透射电子显微镜（TEM）
• 2.3.4 热重与差热分析（TG-DSC）
• 2.4 电化学性能测试
• 2.4.1 电池的组装
• 2.4.2 恒流充放电测试
• 2.4.3 循环伏安测试
• 2.4.4 交流阻抗测试
• 4Ti₅O₁₂'>第三章 固相法制备Li₄Ti₅O₁₂
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 4Ti₅O₁₂ 材料'>3.2.1 固相法制备Li₄Ti₅O₁₂材料
• 4Ti₅O₁₂/C 复合材料制备'>3.2.2 Li₄Ti₅O₁₂/C 复合材料制备
• 3.2.3 电池组装
• 4Ti₅O₁₂的主要影响因素'>3.3 固相法制备Li₄Ti₅O₁₂的主要影响因素
• 3.3.1 原料中Li/Ti 比的影响
• 3.3.2 球磨时间的影响
• 3.3.3 煅烧温度的影响
• 4Ti₅O₁₂ 的电化学性能分析.'>3.3.4 最佳制备条件下Li₄Ti₅O₁₂的电化学性能分析.
• 4Ti₅O₁₂/C 复合材料的制备及性能研究'>3.4 Li₄Ti₅O₁₂/C 复合材料的制备及性能研究
• 4Ti₅O₁₂/C 复合材料碳含量分析'>3.4.1 Li₄Ti₅O₁₂/C 复合材料碳含量分析
• 4Ti₅O₁₂/C 复合材料XRD 分析'>3.4.2 Li₄Ti₅O₁₂/C 复合材料XRD 分析
• 4Ti₅O₁₂/C 复合材料充放电性能测试'>3.4.3 Li₄Ti₅O₁₂/C 复合材料充放电性能测试
• 4Ti₅O₁₂/C 复合材料结构和性能分析'>3.4.4 最佳掺碳比例的Li₄Ti₅O₁₂/C 复合材料结构和性能分析
• 3.5 本章小结
• 4Ti₅O₁₂'>第四章 水热法制备Li₄Ti₅O₁₂
• 4.1 引言
• 4.2 实验方法
• 4Ti₅O₁₂ 材料'>4.2.1 水热法制备Li₄Ti₅O₁₂材料
• 4.2.2 电池组装
• 4Ti₅O₁₂的主要影响因素'>4.3 水热法制备Li₄Ti₅O₁₂的主要影响因素
• 4.3.1 氢氧化锂浓度的影响
• 4.3.2 水热时间的影响
• 4.3.3 煅烧温度的影响
• 4.3.4 煅烧时间的影响
• 4Ti₅O₁₂的形成过程研究'>4.4 水热法制备Li₄Ti₅O₁₂的形成过程研究
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表或录用的论文