具有高倍率性能的钛氧化合物的制备及其电化学性能的研究

摘要

具有“零应变”特性的尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12，LTO)材料作为锂离子电池负极材料具有循环寿命长、快充性能优异以及工作环境温度范围宽等突出特点，而且LTO的充放电电压平台较高(~1.55V vs.Li/Li+)，可有效避免固体电解质膜以及锂枝晶的形成。因此，LTO电池在混合电动车、新能源公共交通以及储能技术等领域具有广泛的应用前景。但是，LTO材料差的电子和离子传导特性仍是限制其快充性能充分发挥的关键因素。因此，对钛酸锂进行结构优化是提高其倍率性能的研究热点。　　本文以商业化的二氧化钛(P25，TiO2)和氢氧化锂(LiOH·H2O)分别作为钛源和锂源，采用两步水热法和进一步煅烧法制备具有分级结构的LTO材料，对其制备过程工艺进行了优化，并对LTO材料进行离子掺杂改性，采用X射线衍射、扫描电镜以及恒流充放电等方法对所制备LTO材料微观结构和电化学性能进行研究。结果表明：采用氯化铵溶液作为离子置换物质，可得到纯相前驱体（H2Ti2O5·2H2O）；锂钛摩尔比为1∶1时，不同煅烧温度下均得到纯相LTO；当煅烧温度为600℃时，时间为2h时，所制备LTO600样品的纯度高且初级颗粒尺寸较小，因此表现出优异的高倍率和循环性能，该样品在1C电流密度下比容量为148mAh·g-1，当电流密度达到60C时，其比容量仍高达123mAh·g-1，而且，在大倍率(20C和50C)下经过500次循坏后，具有较高的容量保持率，分别为90.1%和88.1%。　　通过机械混合及进一步低温煅烧法制备氟掺杂F-LTO，对氟掺杂LTO700材料的电化学性能进行初步探讨。研究结果表明，F掺杂极大地改善了LTO700的电化学性能，其中F掺杂量为5wt.%时，材料具有较优的电化学性能，F-LTO5%在1C、5C、10C、20C、30C、40C、50C、60C和70C下的比容量分别为149、136、131、124、119、108、103和98mAh·g-1，在5C下500次循环后，比容量仍有134mAh·g-1，容量保持率为98.5%，其展现了优异的倍率性能和和良好的循环稳定性能。

目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 锂离子电池概述

1.2.1 锂离子电池发展简史

1.2.2 锂离子电池的基本组成

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 锂离子电池正极材料

1.3.1 钴酸锂电池

1.3.2 镍酸锂电池

1.3.3 锰酸锂电池

1.3.4 磷酸铁锂电池

1.4 锂离子电池负极材料

1.4.1 碳基负极材料

1.4.2 硅基负极材料

1.4.3 锡基负极材料

1.5.1 尖晶石钛酸锂结构

1.5.2 钛酸锂负极材料的特点

1.5.3 改善钛酸锂负极材料电化学性能的方法

1.6.1 选题意义

1.6.2 研究内容

2 实验方法

2.1 实验主要原料

2.2 主要实验仪器及设备

2.3.1 X射线粉末衍射分析

2.3.2 SEM分析

2.4.1 电极膜片的制备

2.4.2 模拟电池的组装

2.4.3 电池性能测试

3 具有分级结构钛酸锂的制备及其电化学性研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3.1 XRD分析

3.3.2 SEM分析

3.4.1 不同煅烧时间下合成LTO样品的电化学性能测试

3.4.2 不同煅烧温度下合成LTO样品的电化学性能测试

3.5 本章小结

4 F掺杂LTO的制备其电化学性能的初步研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 F掺杂LTO的结构分析

4.4.1 倍率性能和循环性能测试

4.4.2 交流阻抗测试

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

附录

A．学位论文数据集

致谢