离子掺杂Li4Ti5O12负极材料制备与电化学性能表征

摘要

钛酸锂（Li4Ti5O12）负极材料成为研究热点的主要原因如下：首先，Li4Ti5O12具有尖晶石结构，充放电之后，结构无变化，被称为“零应变”材料，因此具有超长寿命；其次，其对锂电位为1.55V，高电位保证无锂枝晶形成，具有高安全性。但Li4Ti5O12材料自身比容量低，理论比容量仅有175mAh/g（1.0~2.6V）以及导电性差（10-9S cm-1）的问题限制了其商业化使用。 高温固相法由于操作简单易实现而被应用于工业化生产，但此方法生产的Li4Ti5O12颗粒粗大且不均匀，电化学性能较差。因此，本论文从两方面开展，一方面致力于研究一条简单，适合工业化制备均匀分布的纳米级Li4Ti5O12颗粒的工艺，即离子掺杂辅助固相法；另一方面致力于提高Li4Ti5O12材料的比能量以及改善其导电性。以下是本论文的主要研究内容： 1.离子掺杂辅助高温固相法制备纳米级Li4Ti5O12，通过调控Mg、Zr离子掺量、煅烧温度和保温时间四个因素，分别设置3个水平，设计一个L9（34）型的正交实验。通过正交实验得到最优化组合，制备出了粒径在100nm范围内的Li4Ti5O12颗粒，并以粒径大小为主要评价指标，最终确定最优制备工艺为：Mg掺量为0.1mol，Zr掺量为0.05mol，煅烧温度为750℃，保温时间为10h。此外，通过正交实验判定影响评价指标的主次因素顺序为：煅烧温度＞Mg离子掺量＞保温时间＞Zr离子掺量。 2.在最优工艺条件下，制备的离子共掺Li4Ti5O12与未掺杂Li4Ti5O12进行了对比，发现离子共掺对Li4Ti5O12电化学性能的提高有重要影响。掺杂Li4Ti5O12在10C下，循环100次后，比容量达到90.8mAh/g，与未掺杂Li4Ti5O1239.3mAh/g相比，提高了1.3倍。 3.进一步探究了不同掺杂比例下Mg和Zr离子对Li4Ti5O12材料性能的影响规律。研究发现，不同R（Mg/Zr）值，对Li4Ti5O12影响明显。当R=2时，LTO-R2表现出最优性能，粒径在纳米范围内且分布均匀。在0.57C下，初次放电比容量为186.6mAh/g。此外，在形貌上，Mg离子和Zr离子表现为对称和互补作用。在电化学性能上，Mg离子和Zr离子表现为相互协同作用。 4.最后，将乙炔黑和LTO-R2进行了复合。研究发现，C-15%的充电容量仅有106.2mAh/g，相比LTO-R2的容量155.5mAh/g有所降低。乙炔黑的加入造成的颗粒团聚造成其比容量的降低。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池（LIB）简介

1.2.1 LIB的出现

1.2.2 LIB的组成

1.2.3 LIB的充放电原理

1.2.4 LIB的应用前景

1.3 负极材料研究进展

1.3.1 碳系材料

1.3.2 锡基材料

1.3.3 硅基材料

1.3.4 钛酸锂（LTO）简介

1.4 LTO的制备方法

1.4.1 高温固相法

1.4.2 溶胶凝胶法

1.4.3 水热法

1.4.4 静电纺丝法

1.4.5 模板法

1.5 钛酸锂（LTO）的改性

1.5.1 离子掺杂

1.5.2 表面包覆

1.5.3 复合材料

1.5.4 形貌结构

1.6 钛酸锂（LTO）的研究现状

1.7 选题背景与研究内容

1.7.1 选题背景

1.7.2 研究内容

2 实验部分

2.1 实验材料及仪器设备

2.1.1 实验材料

2.1.2 实验仪器设备

2.2 材料的表征

2.2.1 X射线衍射（XRD）

2.2.2 场发射扫描电子显微镜（SEM）

2.2.3 场发射透射电子显微镜（TEM）

2.2.4 氮气吸脱附实验（BET）

2.2.5 热重分析测试（TG）

2.2.6 傅里叶变换红外光谱测试（FTIR）

2.3 电化学性能测试

2.3.1 涂布工艺

2.3.2 纽扣电池组装过程

2.3.3 恒流充放电测试

2.3.4 循环伏安测试（CV）

2.3.5 电化学阻抗测试（EIS）

3 离子掺杂辅助固相法制备纳米级钛酸锂颗粒

3.1 引言

3.1.1 立题背景

3.1.2 研究思路

3.2 实验部分

3.2.1 煅烧温度

3.2.2 保温时间

3.2.3 正交实验

3.3 结果与讨论

3.3.1 正交实验结果

3.3.2 正交实验结果讨论

3.3.3 离子共掺LTO的物相分析

3.3.4 离子共掺LTO电化学性能分析

3.4 本章小结

4 离子共掺比例的影响机理研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.3.1 R值对钛酸锂形貌的影响

4.3.2 R值对电化学性能的影响

4.4 本章小结

5 乙炔黑和掺杂钛酸锂的复合

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.3.1 复合材料的物化性能

5.3.2 复合材料的电化学性能

5.4 本章小结

结论与展望

一．结论

二．展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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