TiO2微球原位构筑Li4Ti5O12基电极材料及性能研究

摘要

近年来，锂离子电池被广泛研究和应用，是一种很有前途的储能器件。然而，锂离子电池的安全特性是阻碍其在汽车应用中发展的技术障碍之一。传统的石墨负极材料由于其在充放电过程中体积变化大，且易产生锂枝晶，导致了其作为锂离子电池负极材料存在很严重的安全隐患问题。钛基材料，如尖晶石Li4Ti5O12和不同晶相TiO2，因其作为锂离子电池负极材料独特的安全性能而引起了人们的广泛关注。尖晶石Li4Ti5O12具有较好的物理化学稳定性，低成本，原料丰富，环境可持续性，循环稳定性好等优点。更为重要的是，Li4Ti5O12在充放电过程中的体积变化非常小，且较高的工作电压避免锂枝晶的产生，具有优异的安全性。但是Li4Ti5O12的电子电导率和离子扩散速率较低，导致其较差的高倍率性能。 为了改善Li4Ti5O12的离子和电子电导率，本论文重点研究和制备了各种纳米结构的Li4Ti5O12，以及与高导电性材料的复合改性，改善其电子导电性，缩短离子扩散路径，提高Li4Ti5O12的电化学性能。通过XRD，SEM，TEM，Raman，BET，TG等测试方法，对制备的样品进行表征分析，然后以各样品为活性材料在手套箱中组装成半电池，进行电化学测试，研究分析复合材料的电化学储锂性能。主要研究内容有： （1）以TiO2微球为前驱体，采用简单的水热法原位合成了蛋壳状结构Li4Ti5O12-TiO2(LTO-TO)和介孔中空结构Li4Ti5O12(LTO)微球。特殊的空心纳米结构有益于与电解液的充分接触，有利于锂离子和电子的快速输运，为锂离子的存储提供了额外的空间。介孔中空LTO微球在0.5C倍率下1000次循环后，其可逆比容量为229.2mAh g-1，以及较高稳定的容量保留率，在10C的高倍率下，可提供较高的可逆放电容量为114.2mAh g-1。因此，介孔中空结构LTO微球由于其特殊的纳米空心结构，较高的比表面积，增强了储锂容量，具有优异的电化学性能。 （2）采用简便的水热法制备了纳米薄片组装的层状LTO-TO微球。LTO-TO复合微球平均尺寸约为800nm，纳米片厚度约为10nm。得益于特殊二维纳米结构，与电解液接触面积大，锂离子的输运长度明显缩短，这对于提高锂离子电池的循环性能和倍率性能至关重要。制备的样品具有良好的循环性能，在0.5C倍率下循环660次后，稳定的可逆比容量为177.3mAh g-1， 在高倍率10C下的比容量为113.7mAh g-1。 （3）通过在不同浓度的氢氧化锂溶液中进行水热反应，以TiO2微球为前驱体成功制备出了中空TiO2@rGO和介孔LTO@rGO复合微球。利用复合材料独特纳米结构的协同效应，证实了多孔材料可以提供与电解质较大的接触面积，额外的锂离子存储空间和较短的e-和Li+输运距离。同时，rGO层可以改善与绝缘颗粒的界面接触，形成三维导电网络，大大促进锂离子和电子的快速传输，有利于提高倍率性能和循环稳定性。与纯LTO相比，LTO@rGO介孔复合微球在0.5C下循环500次后，具有较高的可逆容量260.1mAh g-1，容量保持率高度稳定甚至超过100%，在高倍率10C下的放电容量达到125.9mAh g-1，LTO@rGO复合材料显示了优良的高倍率性能和循环稳定性。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池简介

1.3 Li4Ti5O12负极材料

1.4 本文的研究内容及创新点

2 原位构筑介孔中空LTO微球及电化学性能研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

3 原位构筑Li4Ti5O12-TiO2纳米片复合材料及电化学性能研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

4 原位构筑介孔Li4Ti5O12@rGO复合微球及电化学性能研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 实验结果与讨论

5 结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文目录

声明