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钛酸锂的制备及掺杂改性研究

2020-12-14阅读(645)

钛酸锂的制备及掺杂改性研究

论文摘要

目前,商业化的锂离子电池负极材料主要是碳材料,但以碳材料为负极的锂离子电池在实际应用上仍存在一些问题：（1）过充电时易析出锂枝晶,造成电池短路；（2）易在碳表面形成钝化膜,造成容量损失；（3）碳材料的平台电压接近于金属锂,容易引起电解液的分解,从而带来安全隐患。而尖晶石型的Li4Ti5O12与碳材料相比具有明显的优势：（1）钛酸锂的电位比金属锂的高（1.55 Vvs.Li+/Li）,不易产生锂晶枝；（2）它是一种“零应变”材料,表现出优良的循环性能；（3）充放电过程中电压平稳,而且电解液不致发生分解。但是,其固有电导率低（10-13 S/cm）制约了商业化应用。本文通过改进制备方法和阳离子掺杂等来改善和提高Li4Ti5O12（?）勺电化学性能。以蔗糖为辅助燃烧剂,采用水热法制备具有较高放电比容量和较好循环性能的Li4Ti5O12样品。考察了锂钛摩尔比、蔗糖加入量、水热处理时间及烧结温度等条件对Li4Ti5O12性能的影响。结果表明,Li4Ti5O12样品制备的最优条件为：锂钛摩尔比为0.82,蔗糖加入量为10 wt.%,160℃下水热处理18 h,再在750℃中烧结2 h。最优条件下制备的Li4Ti5O12样品在0.5 C倍率下首次放电比容量为164.78 mAh/g,50次循环后仍然保持在150.32 mAh/g。以乳酸为配位剂,采用溶胶-凝胶法制备了性能较好的Li4Ti5O12样品。研究了乳酸与钛酸丁酯的配比、烧结温度和烧结时间等因素对Li4Ti5O12性能的影响。结果表明,当乳酸与钛酸丁酯的摩尔比为0.6,在800℃烧结18h制备的Li4Ti5O12的电化学性能较好。在0.5 C倍率下的首次放电比容量为172.62 mAh/g,循环50次后仍为151.68 mAh/g。此外,采用溶胶-凝胶法制备了Li4Ti5CuxO12+x和Li4Ti4-2xNixMnxO12样品,探讨了掺杂不同元素对Li4Ti5O12性能的影响。结果表明,离子掺杂可以有效地改善Li4Ti5O12的电化学性能。其中Li4Ti5Cu0.3O12.3样品在0.5 C倍率下首次放电比容量达209.15 mAh/g,循环50次后仍保持在165.47 mAh/g；Li4Ti4.8Ni0.1Mn0.1O12在0.5 C倍率下首次放电比容量为180.41 mAh/g,50次充放电循环后保持在160.50 mAh/g。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 锂离子电池的研究进展
  • 1.3 锂离子电池的结构及工作原理
  • 1.4 锂离子电池电极材料简介
  • 1.4.1 电极材料要求
  • 1.4.2 负极材料简介
  • 4Ti5O12简介'>1.5 负极材料Li4Ti5O12简介
  • 4Ti5O12的国内外研究进展'>1.5.1 Li4Ti5O12的国内外研究进展
  • 4Ti5O12的结构及电化学性能'>1.5.2 Li4Ti5O12的结构及电化学性能
  • 4Ti5O12的合成方法及改性'>1.5.3 Li4Ti5O12的合成方法及改性
  • 1.6 本课题的意义与主要研究内容
  • 第2章 实验方法
  • 2.1 主要实验仪器与药品
  • 2.1.1 主要的实验仪器和设备
  • 2.1.2 主要的实验药品
  • 4Ti5O12的合成及Li4Ti5CuxO12+x和Li4Ti5-2xNixMnxO12的合成'>2.2 Li4Ti5O12的合成及Li4Ti5CuxO12+x和Li4Ti5-2xNixMnxO12的合成
  • 4Ti5O12的水热合成'>2.2.1 Li4Ti5O12的水热合成
  • 4Ti5O12的溶胶-凝胶合成'>2.2.2 Li4Ti5O12的溶胶-凝胶合成
  • 4Ti5CuxO12+x和Li4Ti5-2xNixMnxO12'>2.2.3 溶胶-凝胶法合成Li4Ti5CuxO12+x和Li4Ti5-2xNixMnxO12
  • 2.3 材料表征
  • 2.3.1 结构分析
  • 2.3.2 形貌分析
  • 2.3.3 热重分析
  • 2.4 材料的电化学性能测试
  • 2.4.1 电极的制备
  • 2.4.2 扣式模拟电池的组装
  • 2.4.3 电池充放电测试
  • 2.4.4 循环伏安测试
  • 2.4.5 交流阻抗测试
  • 4Ti5O12的水热合成及其性能研究'>第3章 Li4Ti5O12的水热合成及其性能研究
  • 3.1 引言
  • 4Ti5O12性能的影响'>3.2 制备条件对Li4Ti5O12性能的影响
  • 4Ti5O12性能的影响'>3.2.1 乙酸锂与钛酸丁酯配比对Li4Ti5O12性能的影响
  • 4Ti5O12性能的影响'>3.2.2 蔗糖加入量对Li4Ti5O12性能的影响
  • 4Ti5O12性能的影响'>3.2.3 水热处理时间对Li4Ti5O12性能的影响
  • 4Ti5O12性能的影响'>3.2.4 烧结温度对Li4Ti5O12性能的影响
  • 4Ti5O12的电化学性能分析'>3.2.5 Li4Ti5O12的电化学性能分析
  • 3.3 本章小结
  • 4Ti5O12的溶胶-凝胶合成及其性能研究'>第4章 Li4Ti5O12的溶胶-凝胶合成及其性能研究
  • 4.1 引言
  • 4Ti5O12性能的影响'>4.2 制备条件对Li4Ti5O12性能的影响
  • 4Ti5O12性能的影响'>4.2.1 乳酸与钛酸丁酯配比对Li4Ti5O12性能的影响
  • 4Ti5O12性能的影响'>4.2.2 烧结温度对Li4Ti5O12性能的影响
  • 4Ti5O12性能的影响'>4.2.3 烧结时间对Li4Ti5O12性能的影响
  • 4.3 本章小结
  • 4Ti5O12的掺杂改性研究'>第5章 Li4Ti5O12的掺杂改性研究
  • 5.1 引言
  • 4Ti5O12的Cu掺杂研究'>5.2 Li4Ti5O12的Cu掺杂研究
  • 4Ti5CuxO12+x的结构分析'>5.2.1 Li4Ti5CuxO12+x的结构分析
  • 4Ti5CuxO12+x的形貌分析'>5.2.2 Li4Ti5CuxO12+x的形貌分析
  • 4Ti5CuxO12+x的充放电测试'>5.2.3 Li4Ti5CuxO12+x的充放电测试
  • 4Ti5CuxO12+x的循环性能测试'>5.2.4 Li4Ti5CuxO12+x的循环性能测试
  • 4Ti5CuxO12+x的循环伏安测试'>5.2.5 Li4Ti5CuxO12+x的循环伏安测试
  • 4Ti5O12和Li4Ti5Cu0.3O12.3样品的交流阻抗测试'>5.2.6 Li4Ti5O12和Li4Ti5Cu0.3O12.3样品的交流阻抗测试
  • 4Ti5O12的Ni、Mn掺杂研究'>5.3 Li4Ti5O12的Ni、Mn掺杂研究
  • 4Ti5-2xNixMnxO12的结构分析'>5.3.1 Li4Ti5-2xNixMnxO12的结构分析
  • 4Ti5-2xNixMnxO12的形貌分析'>5.3.2 Li4Ti5-2xNixMnxO12的形貌分析
  • 4Ti5-2xNixMnxO12的充放电测试'>5.3.3 Li4Ti5-2xNixMnxO12的充放电测试
  • 4Ti5-2xNixMnxO12的循环性能测试'>5.3.4 Li4Ti5-2xNixMnxO12的循环性能测试
  • 4Ti5-2xNixMnxO12的循环伏安测试'>5.3.5 Li4Ti5-2xNixMnxO12的循环伏安测试
  • 4Ti5O12和Li4Ti4.8Ni0.1Mn0.1O12样品的交流阻抗测试'>5.3.6 Li4Ti5O12和Li4Ti4.8Ni0.1Mn0.1O12样品的交流阻抗测试
  • 5.4 本章小结
  • 第6章 结论与展望
  • 6.1 总结
  • 6.2 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 个人简历
  • 攻读硕士期间公开发表的论文

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