锂离子电池负极材料Li4Ti5O12-x/C的制备及性能表征

摘要

尖晶石型结构钛酸锂(Li4Ti5O12)具有锂离子三维扩散通道，在充放电过程中结构稳定，是一种“体积零应变”嵌锂材料，锂离子嵌入脱出效率高，循环性能优异，成为长效安全型动力锂离子电池负极材料。但是钛酸锂电子电导率较低严重影响了材料的快速充放电性能和循环稳定性。
　　 本文采用湿法球磨辅助固相反应法在氩气气氛中合成了含Ti3+和氧缺陷结构的钛酸锂/碳复合材料，优化了固相法合成工艺，用XRD分析了样品晶体结构，SEM和HRTEM分析了样品的表观形貌和包覆效果，XPS和EPR研究了样品的价态，CV和EIS分析了样品嵌锂脱锂行为，充放电测试考察了样品的大倍率条件下的比容量和循环性能。
　　 氧缺陷结构的钛酸锂/碳复合材料的合成工艺为:氩气气氛、反应温度750℃，反应时间10 h，钛锂摩尔比为0.85，含碳量为10％。所得Li4Ti5O12-x/C为尖晶石型钛酸锂、属于空间群Fd-3m、粒径100～200 nm且分布均匀。材料在1C、2C、5C、10C和20 C倍率下放电比容量分别为166.2、165.1、163.7、154.8和140.2 mAh·g-1。10C倍率循环，100次和500次后容量保持率分别为99.7％和90.3％。与空气气氛合成的Li4Ti5O12相比，除了表面碳包覆和纳米粒子的作用外，主要是惰性气氛下形成的Ti3+和氧缺陷提高了晶体内部原子的无序化程度，形成Ti3+-O-Ti4+的离子键，提高了电子电导率和离子扩散系数，降低了电极极化和电荷转移电阻，具有较好的倍率性能和循环性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 前言

1．1 锂离子电池简介

1．2 尖晶石Li4Ti5O12的结构和电化学性能

1．3 纳米化化提高Li4Ti5O12倍率性能

1．3．1 纳米颗粒

1．3．2 空心结构

1．3．3 其他新颖的设计

1．3．4 纳／微米结构材料

1．4 表面改性提高Li4Ti5O12的倍率性能

1．4．1 碳包覆

1．4．2 钛酸锂／金属化合物

1．4．3 通过形成一种全新表面相来进行改性

1．5 离子掺杂提高Li4Ti5O12的倍率性能

1．6 本文研究工作

第二章 实验部分

2．1 实验药品及仪器

2．2 材料的合成

2．3 材料的表征

2．3．1 X射线衍射分析

2．3．2 扫描电子显微镜

2．3．3 高分辨透射电子显微镜

2．3．4 粒径分析

2．3．5 X射线光电子能谱

2．3．6 电子顺磁共振

2．4 电化学性能测试

2．4．1 电极的制备

2．4．2 电池的组装

2．4．3 恒流充放电测试

2．4．4 循环伏安测试

2．4．5 交流阻抗测试

第三章 结果与讨论

3．1 气氛的影响

3．1．1 气氛对材料结构与形貌的影响

3．1．2 LTO-Ar和LTO-air的SEM分析

3．1．2 气氛对倍率性能的影响

3．1．3 气氛对锂离子脱嵌过程的影响

3．2 反应温度的影响

3．2．1 反应温度对结构和形貌的影响

3．2．2 反应温度对充放电性能的影响

3．3 反应时间的影响

3．3．1 反应时间对结构和形貌的影响

3．3．2 反应时间对充放电性能的影响

3．4 Li／Ti比的影响

3．4．1 Li／Ti比对结构和形貌的影响

3．4．2 Li／Ti比对充放电性能的影晌

3．5 含碳量的影响

3．5．1 含碳量对结构和形貌的影响

3．5．2 含碳量对充放电性能的影响

第四章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文