锂离子电池用球形钛酸锂负极材料的制备及其电化学性能的研究

摘要

尖晶石型钛酸锂（Li4Ti5O12, LTO）的“零应变”性使得它在充放电过程中具有优良的结构稳定性和很长的循环寿命，因而也被认为是最具前景的锂离子电池负极材料。并且LTO在1.55 V(vs. Li/Li+)左右有平稳的充放电平台从而避免了锂枝晶的形成带来的安全隐患。然而LTO的电子和离子导电性差严重制约了其高倍率性能，因此对LTO进行研究以提高其倍率性能十分必要。本文以钛酸丁酯（TBT）和氢氧化锂为原料，采用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）辅助水热法及后续煅烧合成了单分散的LTO微球，研究了制备工艺条件对LTO微球微观结构的影响，并进一步探讨LTO微球结构与其电化学性能之间的关系。
　　首先，在煅烧温度分别为500、600和700℃的条件下，制备具有不同结构的LTO微球，并对样品的电化学性能进行研究。研究表明：不同温度下所制备 LTO微球的颗粒粒径均为4μm左右，XRD和 TEM分析表明，LTO500，LTO600和LTO700的初级晶粒尺寸分别为50、50和200 nm，且XRD精修结果表明LTO500和LTO600中除含有痕量的TiO2以外几乎为纯的LTO，而LTO700中则含有12.5%的Li2TiO3。LTO500，LTO600和LTO700的比表面积分别为71.8、38.6和10.3 m2·g-1，且XPS分析表明LTO600中Ti3+的相对含量最低。这三个样品在0.1C的比容量都接近 LTO的理论容量，但在高倍率下 LTO600的比容量更高，在5C、10C、20C和50C充放电倍率下的比容量分别为158、154、153和148 mAh·g-1，在5C下循环380次后，可逆容量仍保持在150 mAh·g-1。这说明LTO微球的初级晶粒粒径尺寸和比表面积对微球的电化学性能具有关键的影响。
　　其次，在500℃分别煅烧5、8和10 h以制备具有不同孔结构的LTO微球并对其电化学性能进行表征。研究表明：随着煅烧时间延长，初级晶粒尺寸几乎保持不变，CTAB逐渐分解使 LTO微球的比表面积和介孔孔容均逐渐增加。当煅烧时间为8 h时，LTO微球的初级晶粒尺寸约为50 nm，比表面积为82 m2·g-1，总孔容为0.598 cm3·g-1，其在5C充放电倍率下，经500次循环后可逆容量仍为169 mAh·g-1，当充放电倍率达50C时其可逆容量仍达158 mAh·g-1，表现出良好的循环性能和倍率特性。
　　最后，通过改变CTAB的加入量来研究CTAB对LTO样品形貌的影响，结果表明：CTAB的加入量从0.5 g增加到2.5 g时，所制备LTO微球的粒径逐渐降低，当CTAB的加入量增加到3.0 g时，所制备LTO样品呈无规则形状，这说明CTAB的加入量对LTO微球的制备起到关键作用。

目录

1 绪 论

1.1锂离子电池简介

1.2锂离子电池正极材料

1.3锂离子电池负极材料

1.4尖晶石型LTO负极材料

1.5电解液及隔膜

1.6选题意义和研究内容

2 实验方法

2.1药品及试剂

2.2主要实验仪器及设备

2.3材料结构表征方法

2.4电化学性能测试分析

3 煅烧温度对LTO微球结构及电化学性能的影响

3.1引言

3.2 LTO微球的制备

3.3 LTO微球的结构表征

3.4 LTO微球负极材料的电化学性能测试

3.5小结

4 煅烧时间对LTO微球结构及电化学性能的影响

4.1引言

4.2 LTO微球的合成

4.3 LTO微球的结构表征

4.4 LTO微球负极材料的电化学性能测试

4.5小结

5 CTAB使用量对LTO形貌的影响

5.1引言

5.2实验部分

5.3不同CTAB用量下合成的LTO微球的结构表征

5.4小结

6 结果与展望

6.1结果

6.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录：