锂离子电池用Li4Ti5O12纳米复合材料的合成及电化学性能的研究

摘要

具有高功率和高能量密度的可充电锂离子电池是手提电子设备和电动汽车的优异的能源。钛酸锂Li4Ti5O12(LTO)有零应变晶体结构，因此有理由被认为是一种长寿命，安全性好的阳极材料。然而，这种材料本身的导电率(10-13 S cm-1)和锂离子扩散系数(10-910-13 cm2 s-1)相当低，所以限制了它实现高倍率的性能。本论文通过制备氮化钛酸锂介孔球和介孔钛酸锂/石墨烯复合物改善了锂离子扩散和电子转移的效率，实现了高倍率的应用。文中采用场发射扫描电镜(FESEM)表征了样品的形貌，采用高分辨透射电镜(HR-TEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析了材料表面包覆层的成分。把这些材料组装成标准CR2032型纽扣电池后进行了电化学实验。通过测试循环伏安(CV)，电化学阻抗检测材料的导电性，通过恒电流充放电试验测试了电池的循环性和倍率性。主要结果如下:
　　(1)氮化钛酸锂介孔球:通过简单氨气处理钛酸锂方法合成了氮化钛酸锂介孔球，其中钛酸锂来源于介孔二氧化钛和二水乙酸锂在聚乙二醇20000存在的条件下的固相反应。碳化的聚乙二醇能够有效地限制初级颗粒长大，利于锂离子在固相反应中扩散进纳米尺寸的二氧化钛晶格中，形成纯相钛酸锂。随后的热氮处理之后，一个薄的高导电性TiOxNy层在初级纳米颗粒的表面原位生成。结果是，氮化的钛酸锂介孔结构，拥有更短的锂离子扩散路径和更好的导电性，展示了显著提高的倍率性能，在1-3V的电压范围下，10C倍率下放电容量能达到138 mAhg-1，20 C倍率下能达到120 mAh g-1。这样突出的倍率和循环性能主要归因于导电性TiOxNy纳米层在钛酸锂表面产生的有利界面和高效混合传输网络。
　　(2)介孔钛酸锂/石墨烯复合物：通过温和的静电组装的方法获得了介孔钛酸锂/石墨烯复合物，可以用作锂离子电池的高倍率负极材料。石墨烯片和钛酸锂球强烈的依附在一起，因此能够在电极里形成一个高效的导电网络来加速充放电过程。钛酸锂/石墨烯复合物的放电容量在20 C倍率下能提高到124 mAh g-1比碳包覆钛酸锂电极高两倍。钛酸锂/石墨烯纳米复合物展示了高的可逆容量和突出的倍率性能，是由于石墨烯的高导电性，大表面积，柔韧性和介孔钛酸锂高稳定性的协同作用。这种静电组装方法容易加工，易于大规模生产，可以扩展到任意锂离子电池材料，为各种高倍率锂离子电池材料提供了一种新的生产途径。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池概述

1．2．1 锂离子电池的发展史

1．2．2 锂离子电池的结构与工作原理

1．2．3 锂离子电池的特性

1．2．4 锂离子电池材料简介

1．3 锂电池负极材料的研究现状

1．3．1 碳材料

1．3．2 锡及锡基氧化物

1．3．3 硅基合金

1．3．4 过渡金属氧化物材料

1．4 Li4Ti5O12的研究现状

1．4．1 Li4Ti5O12负极材料的结构及电化学性能特点

1．4．2 Li4Ti5O12负极材料的改进

1．5 本论文选题意义及研究内容

第二章 实验部分

2．1 实验药品及主要仪器设备

2．1．1 实验药品

2．1．2 主要实验仪器设备

2．2 材料的制备

2．2．1 合成二氧化钛介孔球

2．2．2 合成碳包覆钛酸锂介孔球

2．2．3 合成氮化钛酸锂介孔球

2．2．4 制备氧化石墨

2．2．5 合成介孔钛酸锂／石墨烯复合物

2．3 极片的制备与电池的安装

2．4 材料的表征

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．2 透射电子显微镜(TEM)

2．4．3 X射线衍射仪(XRD)

2．4．4 X射线光电子能谱分析(XPS)

2．4．5 热重分析仪(TG)

2．4．6 高分辨透射电镜(HRTEM)

2．5 材料的电化学性能测试

2．5．1 循环伏安测试

2．5．2 恒流充放电测试

2．5．3 交流阻抗测试

第三章 氮化Li4Ti5O12介孔球用于高倍率锂离子电池负极材料的研究

3．1 引言

3．2 氮化Li4Ti5O12介孔球的物理表征

3．2．1 氮化Li4Ti5O12介孔球的表面形貌

3．2．2 氮化Li4Ti5O12介孔球的X射线衍射图谱和热重分析

3．2．3 氮化Li4Ti5O12介孔球的高分辨透射电镜和元素分析图

3．2．4 氮化Li4Ti5O12介孔球的X射线光电子能谱分析

3．3 氮化Li4Ti5O12介孔球的电化学性能表征

3．3．1 氮化Li4Ti5O12介孔材料的循环伏安曲线

3．3．2 氮化Li4Ti5O12介孔材料的交流阻抗分析

3．3．3 氮化Li4Ti5O12介孔材料的导电率图

3．3．4 氮化Li4Ti5O12介孔材料的循环性能和倍率性能

3．4 本章小结

第四章 静电组装介孔Li4Ti5O12／石墨烯复合物用于高倍率锂离子电池负极材料的研究

4．1 引言

4．2 介孔Li4Ti5O12／石墨烯复合物的组装原理

4．3 介孔Li4Ti5O12／石墨烯复合物的物理表征

4．3．1 介孔Li4Ti5O12／石墨烯复合物的X射线衍射谱图与热重分析

4．3．2 介孔Li4Ti5O12／石墨烯复合物的扫描电镜图

4．3．3 介孔Li4Ti5O12／石墨烯复合物的透射电镜图和高分辨透射电镜图

4．3．4 不同石墨烯含量的介孔Li4Ti5O12／石墨烯复合物的透射电镜图

4．4 介孔Li4Ti5O12／石墨烯复合物的电化学性能表征

4．4．1 介孔Li4Ti5O12／石墨烯复合物的循环伏安曲线

4．4．2 介孔Li4Ti5O12／石墨烯复合物的循环性能和倍率性能

4．4．3 介孔Li4Ti5O12／石墨烯复合物的阻抗谱图

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

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