锂离子电池负极材料钛酸锌锂的合成和改性研究

摘要

钛酸锌锂（Li2 ZnTi3O8）作为锂离子电池负极材料具有循环性能稳定、比容量大、生产成本低等优点，近年来受到研究人员的关注。但对于Li2 ZnTi3O8的电化学行为、制备方法和工艺等方面的研究不多，因此需要系统地探索Li2ZnTi3O8的制备方法和电化学行为。
　　本文研究了高温固相法、溶胶凝胶法制备新型锂离子电池负极材料Li2ZnTi3O8的制备条件，研究了煅烧温度、煅烧时间、锂源等因素对产物的物理和电化学性能的影响。此外，本文还使用水热法制备了Li2ZnTi3O8，研究了碳材料包覆和Cu掺杂对于材料电化学性能的影响，通过实验结果分析确定了最优碳包覆量和Cu掺杂量。
　　高温固相法实验表明，将钛源、锂源和锌源充分混合的前躯体在800℃下煅烧4 h即可得到纯相Li2ZnTi3O8产物，产物的粒径约为200 nm。煅烧温度的改变不影响产物的组成，但对材料的粒径有显著影响，从而进一步明显影响材料的电化学性能。在800℃下煅烧4 h的产物在0.1 A/g电流下首次放电比容量可达232.9 mAh/g，在同样电流下循环30次后没有出现明显的容量衰减，具有优异的循环稳定性。
　　溶胶凝胶法制备Li2ZnTi3O8的研究结果表明，煅烧温度、煅烧时间、锂源选择、乙二醇与柠檬酸使用量比值对于产物的电化学性能有显著影响。在800℃下煅烧3 h，使用Li2CO3作为锂源，且乙二醇和柠檬酸使用量比值为2时得到的产物Li2ZnTi3O8具有最优的电化学性能，在100 mA/g电流密度下首次放电容量为230.6 mAh/g，循环40次后容量保持率为99.1％，在1000 mA/g电流密度下循环10次比容量达145.2 mAh/g。
　　使用水热法探索了表面C包覆和Cu掺杂对Li2 ZnTi3O8的影响，结果表明C包覆和Cu掺杂对Li2ZnTi3O8改性作用明显，均可以有效提高Li2ZnTi3O8的充放电性能和倍率性能。使用葡萄糖作为碳源可以成功在Li2 ZnTi3O8纳米棒表面均匀包覆一层碳层，最优碳包覆量为10%。在100 mA/g电流下循环60次后，10%的C包覆样品的放电比容量可达286.9 mAh/g。Cu掺杂的Li2Zn0.9Cu0.1Ti3O8首次放电比容量为244.9 mAh/g，在1000 mA/g电流下比容量可达165.4 mAh/g。Cu掺杂减小了材料的极化，提高了材料的电化学反应活性。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 锂离子电池简介

1.3 锂离子电池负极材料研究进展

1.4 钛酸锌锂复合氧化物材料Li2ZnTi3O8

1.5 本课题研究的目的和主要内容

第二章 实验部分

2.1 实验药品与仪器

2.2 电极制备和电池装配

2.3 测试方法

第三章 固相法制备尖晶石Li2ZnTi3O8

3.1 引言

3.2 实验步骤

3.3 结果与讨论

3.4 结论

第四章 溶胶凝胶法制备Li2ZnTi3O8及性能研究

4.1 引言

4.2 实验步骤

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 水热法合成改性Li2ZnTi3O8纳米棒

5.1 引言

5.2 水热法制备Li2ZnTi3O8/C

5.3水热法制备掺杂Cu的Li2Zn1-xCuxTi3O8（x=0, 0.05, 0.1, 0.15）

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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