锂离子电池负极材料Li4Ti5O12和FSN-4/Mn3O4的制备及其电化学性能研究

摘要

锂离子电池以其高能量密度、长寿命和低自放电性能的优势被认为是储能领域的关键技术。碳材料是锂离子电池最常用的负极材料，仍存在着比容量低、循环稳定性和倍率性能较差等不足，无法满足高容量和高功率领域的应用要求。为此，本文以Li4Ti5O12和FSN-4负极材料为研究对象，系统研究其制备过程以及工艺条件变化对材料结构和电化学性能的影响，主要结果如下:
　　(1)尖晶石型Li4Ti5O12因其具备良好的循环性能和倍率性能被认为是一类重要的锂离子动力电池负极材料。本文通过对高温固相法合成工艺的研究，利用扫描电镜、X射线衍射、循环伏安、充放电测试等手段探索Li/Ti配比、烧结温度、烧结时间对材料结构和电化学性能的影响。优化后的工艺条件为:Li/Ti配比为0.84，在800℃下煅烧10h。所得产品具有纯度高、粒度分布均匀和电化学性能号等特性。Li4Ti5O12在30mAg-1电流密度下充放电循环50次后，可逆容量保持在150mAhg-1左右。即使在1Ag-1的高电流密度下，其可逆容量仍然接近100mAhg-1，表现出了非常优异的循环稳定性和倍率性能。
　　(2) FSN-4是已商业化的锂离子电池负极材料，Mn3O4是氧化物负极材料中最具有前景的候选材料之一，本章采用复合化改性手段制备高容量负极材料。以高锰酸钾为原料，采用溶液浸渍法制备FSN-4/Mn3O4复合材料。研究发现Mn3O4均匀负载在FSN-4表面。FSN-4/Mn3O4复合材料的初始放电容量为1400mAhg-1，经过50次循环后可逆容量约为700mAhg-1，衰减严重。与纯相FSN-4相比，复合材料的容量有了明显的上升，但是倍率性能依旧较差，这归因于充放电过程中Mn3O4体积变化导致材料粉化以及团聚。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锂离子电池简介

1．2．1 锂离子电池的发展

1．2．2 锂离子电池的结构

1．2．3 锂离子电池的工作原理

1．2．4 锂离子电池的特点

1．3 锂离子电池电极材料

1．3．1 锂离子电池正极材料

1．3．2 锂离子电池负极材料

1．4 钛酸锂材料

1．4．1 钛酸锂的结构和工作原理

1．4．2 钛酸锂的制备方法

1．4．3 钛酸锂存在的问题和改性

1．5 选题依据与研究内容

第二章 实验方法与仪器

2．1 实验试剂和仪器

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验仪器

2．2 材料结构表征

2．2．1 X射线衍射分析(XRD)

2．2．2 扫描电子显微镜(SEM)分析

2．3 电化学性能测试

2．3．1 电极片制备

2．3．2 电池组装

2．3．2 恒电流充放电测试

2．3．4 循环伏安(CV)测试

第三章 尖晶石型Li4Ti5O12的制备及其性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．3 结果与讨论

3．3．1 不同工艺条件对Li4Ti5O12结构的影响

3．3．2 Li4Ti5O12的结构和形貌表征

3．3．3 Li4Ti5O12的电化学性能

3．3．4 钛酸锂在0~3V电压区间的电化学行为

3．4 本章小结

第四章 负极材料FSN-4的改性及其电化学性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．3 结果与讨论

4．3．1 FSN-4／Mn3O4复合材料物相分析和表面形貌

4．3．2 FSN-4／Mn3O4复合材料的电化学性能研究

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢