链状结构Li4Ti5O12/C的合成和LiMn2O4/Li4Ti5O12锂离子电池的电化学性能研究

论文摘要

锂离子电池具有循环寿命长、无污染、比能量大、功率大、无记忆效应等优点,成为取代污染严重的传统能源的清洁新能源储备装置。动力汽车及大型储能设备,要求具有较高的电压、更低成本和更安全的电极材料。然而,商业化的钴酸锂电极材料价格昂贵,在充放电过程中结构不稳定,难以满足动力汽车的要求；石墨负极材料因其电压平台接近锂金属,充放电过程中易形成SEI膜,形成枝晶,导致安全性能不好,商业钴酸锂/石墨锂离子电池难以满足大型储能设备的需求。因此,研发具有安全性能好,价格便宜、电压高、资源丰富、无污染等优点的电极材料成为发展锂离子电池新能源关键因素之一；尖晶石型锰酸锂具有结构稳定、电压高、安全性能好、对环境友好、材料廉价等优点,被认为是取代钴酸锂材料的新型动力电池的理想正极材料；负极材料钛酸锂具有安全性能好,资源丰富、易制备、结构稳定、倍率性能好、材料廉价等优点,能够满足动力汽车瞬问放电的需求,结合此两种材料各自的优点,本论文将合成和改性钛酸锂材料,再用改性好的钛酸锂和锰酸锂组装成LiMn2O4/Li4Ti5O12锂离子电池,并对其电化学性能研究,得出如下结论：1.通过利用软模板滤纸辅助溶胶-凝胶法制备链状结构Li4Ti5O12/C粉末,通过XRD, TEM和SEM表征,其颗粒形貌光滑,大小为250nnm,颗粒的表面包覆着一层4nm厚的碳,颗粒之间形成1-3μm的链。通过恒流充放电,阻抗测试和循环伏安法测试表征,结果表明其具有较好的电化学性能,在0.2C、12C的倍率下,其首次放电比容量分别为165.1mAhg-1和110.3mAhg-1,在5C的倍率下,经过470个循环后,其容量保持率为89%。说明链状结构的Li4Ti5O12/C具有很好的循环性能和倍率性能。2.通过淀粉胶状辅助液流变相法以LiCO3、TiO2和淀粉为原料制备Li4Ti5Ol2/C复合物,通过XRD、SEM、TEM和热重进行表征,其空间点群为Fd3m,颗粒形貌为球状,颗粒上有5nm厚度的碳包覆在其表面,其颗粒大小为500nm。与纯净的Li4Ti5O12比较,制备得到的Li4Ti5O12/C复合物有较高的比容量,较好的倍率性能和循环性能,分别在0.2C、20C的倍率下的首次放电比容量分别为171.5mAhg-1和110mAh g-1,在1C倍率下,经过500个循环后,其容量保持率为87%；在20C倍率下,经过2000个循环后容量保持率为73%。3.商业LiMn2O4材料通过XRD、SEM和粒度分析进行表征,结果表明其空间点群为Fd3m,平均颗粒大小为275nm；对LiMn2O4的电化学性能测试表明LiMn2O4在3.95V和4.10V左右有两个不同的放电平台；在不同倍率下进行电化学性能测试,表现出较好的倍率性能；在倍率为0.5C,20C的首次放电比容量分别为116mAhg-1,68mAhg-1,在1C的倍率充放电测试下,经过500次循环后放电容量保持率为66%,说明LiMn2O4材料具有较好的循环性能、较高的放电电压和较好的倍率性能。4.对LiMn2O4/Li4Ti5O12锂离子电池的电化学研究表明,在2.45V和2.55V左右有两个放电平台；在倍率为0.5C、12C的首次比容量分别为113.1mAhg-1、67.1mAh g-1,在6C下的首次比容量为87.1mAhg-1,85次循环后的容量保持率为97%；12C倍率下经过475次循环后的比容量为47.6mAhg-1,平均每次放电衰减比容量为0.0568%,结果证明LiMn2O4/Li4Ti5O12锂离子电池具有较好的电化学性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 概述
• 1.2 锂离子电池的概述
• 1.2.1 锂离子电池的发展历史
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理及结构
• 1.3 锂离子电池的特点
• 1.4 锂离子电池正极材料的研究进展
• 1.4.1 锂离子电池正极材料的选择条件
• 1.4.2 锂离子正极材料在国内外研究现状
• 1.5 锂离子电池的负极材料研究进展
• 1.5.1 负极材料的选材要求
• 1.5.2 负极材料的研究进展
• 1.6 本论文的主要研究目的和内容
• 1.7 本论文的创新之处
• 第2章 实验药品和试剂、方法及原理
• 2.1 实验药品及试剂
• 2.2 实验设备及装置
• 2.2.1 管式电阻炉
• 2.2.2 手套箱
• 2.2.3 真空干燥箱
• 2.3 电池的组装
• 2.3.1 极片的制备
• 2.3.2 电解液与隔膜
• 2.4 材料的物理性能表征
• 2.4.1 扫描电子显微镜
• 2.4.2 XRD物相分析
• 2.4.3 粒度分析
• 2.4.4 热重分析
• 2.4.5 透射电子显微镜
• 2.5 电化学性能表征
• 2.5.1 恒电流充放电测试
• 2.5.2 循环伏安法
• 2.5.3 交流阻抗
• 4Ti₅O₁₂/C的合成及其电化学性能研究'>第3章 链状结构Li₄Ti₅O₁₂/C的合成及其电化学性能研究
• 3.1 概述
• 4Ti₅O₁₂/C的合成及极片的制备'>3.2 链状Li₄Ti₅O₁₂/C的合成及极片的制备
• 4Ti₅O₁₂/C的合成'>3.2.1 链状结构Li₄Ti₅O₁₂/C的合成
• 3.2.2 极片的制备
• 3.2.3 电池的组装
• 4Ti₅O₁₂/C的表征'>3.3 链状Li₄Ti₅O₁₂/C的表征
• 4Ti₅O₁₂/C粉末的结构分析'>3.3.1 链状Li₄Ti₅O₁₂/C粉末的结构分析
• 3.3.2 材料的形貌电镜表征
• 4Ti₅O₁₂/C电化学性能研究'>3.4 链状Li₄Ti₅O₁₂/C电化学性能研究
• 3.4.1 恒电流充放电测试
• 3.4.2 交流阻抗测试
• 3.4.3 循环伏安测试
• 3.5 本章小结
• 4Ti₅O₁₂/C及其电化学性能研究'>第4章 淀粉溶胶辅助流变相法合成Li₄Ti₅O₁₂/C及其电化学性能研究
• 4.1 概述
• 4.2 材料的合成
• 4Ti₅O₁₂及Li₄Ti₅O₁₂/C复合物的合成'>4.2.1 Li₄Ti₅O₁₂及Li₄Ti₅O₁₂/C复合物的合成
• 4.2.2 极片的制备及电池组装
• 4.2.3 结构形貌表征、粒度分析及热重分析
• 4.3 电化学性能研究
• 4.3.1 恒电流充放电测试
• 4.3.2 交流阻抗测试
• 4.3.3 循环伏安测试
• 4.4 本章小结
• 2O₄/Li₄Ti₅O₄的电化学性能研究'>第5章 锂离子电池LiMn₂O₄/Li₄Ti₅O₄的电化学性能研究
• 5.1 概述
• 5.2 极片的制备和电池的组装
• 5.2.1 正极极片的制备
• 5.2.2 电池的组装
• 2O₄的表征'>5.3 正极材料LiMn₂O₄的表征
• 2O₄的XRD'>5.3.1 正极材料LiMn₂O₄的XRD
• 2O₄的扫描电子显微镜表征'>5.3.2 正极材料LiMn₂O₄的扫描电子显微镜表征
• 2O₄的粒度分析'>5.3.3 LiMn₂O₄的粒度分析
• 2O₄的恒流充放电'>5.3.4 正极材料LiMn₂O₄的恒流充放电
• 2O₄的循环伏安测试'>5.3.5 正极材料LiMn₂O₄的循环伏安测试
• 4Ti₅O₁₂/C复合材料的表征'>5.4 负极材料Li₄Ti₅O₁₂/C复合材料的表征
• 2O₄/Li₄Ti₅O₁₂锂离子电池的电化学性能研究'>5.5 LiMn₂O₄/Li₄Ti₅O₁₂锂离子电池的电化学性能研究
• 5.5.1 正负极活性物质质量比的选择
• 2O₄/Li₄Ti₅O₁₂锂离子电池的恒流充放电'>5.5.2 LiMn₂O₄/Li₄Ti₅O₁₂锂离子电池的恒流充放电
• 5.5.3 交流阻抗测试
• 5.5.4 循环伏安测试
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果