钛酸锂/碳纳米管负极材料的制备及其电化学性能的研究

摘要

钛酸锂材料作为商业化的负极材料，有优势同时也存在不足之处。其优势主要在于钛酸锂材料有稳定的充放电平台，因其充放电时结构变化不明显而拥有出色的循环稳定性。但是当作为负极材料使用时，由于电导率低限制了材料的大功率充放电性能。　　本研究工作中，采用在碳纳米管周围合成Ti-乙二醇聚合物，然后在LiOH/H2O中水解该聚合物的方法制备Li4Ti5O12(LTO)包裹的CNTs负极材料。这样合成的材料不但保留了原Li4Ti5O12材料的优越电化学特性，而且它的电子导电性和锂离子扩散性更好。材料具有更大的比容量和更好的倍率性能。本研究设计了一种新的合成LTO-CNTs的方法，在碳纳米管存在下将钛酸异丙酯与二醇类聚合，将得到的聚合物在LiOH/H2O溶液中水解然后热分解得到电极材料。　　(1)当改变最后热分解温度时，发现当煅烧温度为700℃时，可以获得被碳纳米管缠绕的具有稳定结构的钛酸锂负极材料，既具有高电子传导性又具有高锂离子扩散率的材料，该种材料具有稳定的深放电能力(低至0.01V)，高比容量(在0.3A/g时为237mAh/g)和长循环寿命(0.1A/g时为254mAh/g，放电超过500次循环)，在电流密度分别为0.1、0.3、0.5、0.7、1.0、2.0和3.0A/g时，分别获得258、224、211、200、193、163和158mAh/g的高比容量。该材料的深度放电能力可提供低于1.0V的平均电压，该电压低于原始Li4Ti5O12的平均电压(1.55 V)。　　(2)当使用不同醇类作为反应物时，均可以生成尖晶石型的钛酸锂，发现乙二醇作为反应物时，生成材料的晶型更加完整。　　(3)在分散CNTs时，采用不同的分散剂，发现分散剂不仅影响分散效果，而且对LTO/CNTs的性能有很大的影响。当用乙醇作为分散剂时，不仅生成较为理想的尖晶石型钛酸锂，并且电化学性能表现更加良好。

目录

声明

论文所用英文缩略词

第 1 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概述

1.3.1 碳材料

1.3.2 过渡金属氧化物负极材料

1.3.3 合金负极材料

1.3.4 钛酸锂负极材料

1.4 选题背景、内容以及意义

1.4.1 选题背景

1.4.2 选题的内容和意义

第 2 章 实验部分

2.1 实验试剂与实验仪器

2.1.1 实验所用的药品和试剂

2.1.2 实验仪器

2.2 实验方法

2.2.1 锂电池负极的材料制备

2.2.2 半电池的组装

2.3 材料的物理性能表征

2.3.1 X 射线衍射（XRD）

2.3.2 场发射扫描电镜（SEM）

2.3.3 透射电子显微镜（TEM）

2.3.4 比表面积测试（BET）

2.4 电化学性能测试

2.4.1 恒流充放电测试

2.4.2 循环伏安测试（CV）

2.4.3 交流阻抗测试（EIS）

第 3 章 钛酸锂/碳纳米管负极材料的制备及电化学性能的研究

3.1 引言

3.2 不同温度下制备的 LTO/CNTs 负极材料的电化学性能研究

3.2.1 不同温度下 LTO/CNTs 负极活性材料的制备

3.2.2 XRD 衍射图谱分析

3.2.3 SEM 形貌分析

3.2.4 样品成分分析

3.2.5 TEM 形貌分析

3.2.6 比表面积分析

3.2.7 恒流充放电测试

3.2.8 循环伏安测试

3.2.9 交流阻抗测试

3.3 不同多元醇类制备的 LTO/CNTs 负极材料的电化学性能研究

3.3.1 用不同多元醇类制备的 LTO/CNTs 负极活性材料

3.3.2 XRD 衍射图谱分析

3.3.3 SEM 形貌分析

3.3.4 恒流充放电测试

3.3.5 循环伏安测试（CV）

3.3.6 交流阻抗测试（EIS）

3.4 本章小结

第 4 章 分散剂对 LTO/CNTs 负极材料电化学性能的影响

4.1 引言

4.2 不同分散剂下 LTO/CNTs 负极活性材料的制备

4.2.1 XRD 衍射图谱分析

4.2.2 SEM 形貌分析

4.2.3 恒流充放电测试

4.2.4 循环伏安测试（CV）

4.2.5 交流阻抗测试

4.3 本章小结

结 论

展 望

参考文献

附录 A 攻读学位期间发表的论文

致 谢