高性能锂离子电池负极材料球形钛酸锂的合成和改性研究

【摘要】随着石油、煤炭等不可再生能源的日渐消耗，人们迫切需要寻找新的替代能源，并想办法提高资源利用率。金属锂因为其质量轻、氧化还原电位低、质量能量密度大等优点，逐步走进人们的视野。基于金属锂开发的锂离子电池因为其能量密度大、输出电压功率高、快速充放电和循环性能良好、使用寿命长等优点，作为二次电池被广泛应用在社会生产和日常生活之中。锂离子电池负极材料目前主要使用的是炭材料，但是碳材料有可逆容量低、安全性能差和循环性能差等缺点，限制了锂电池性能的发展。而有尖晶石构型的钛酸锂（Li4Ti5O12）材料作为新型的锂离子电池负极材料正逐步受到人们重视。尖晶石钛酸锂在充放电过程中晶胞参数变化很小，仅从0.836nm增加到0.837nm，构型几乎保持不变，因此被称为“零应变（zero-strain）”材料，其出色的循环稳定性和安全性能使其成为具有巨大潜力的新型锂离子电池负极材料。本文以钛酸异丙酯（TTIP）为钛源，以氢氧化锂（LiOH·H2O）为锂源，采用水热合成法，制备了具有良好电化学性能的球形形貌的尖晶石钛酸锂（Li4Ti5O12）材料。并通过X射线衍射、电子隧道显微镜、电池检测系统等仪器对样品性质进行了表征。通过对比试验，验证了原料配比、水热反应时间和煅烧温度对产物性质的影响，优化实验条件，得到了最佳合成路线。由最佳条件制得的Li4Ti5O12作为负极材料使用时，工作电压为1.5V，电压平台稳定，在0.2C倍率时首次放电容量达到了158.7mAh/g，循环10次后容量保持率为97.35%，体现了较高的充放电比容量和良好的循环稳定性能。在20C倍率下首次放电容量达到了93.3mAh/g，5次循环后容量保持率为93.78%，体现了大电流下优良的快速充放电性能和循环稳定性。尖晶石钛酸锂的电导率较低，是制约材料电化学性质的重要因素，本文以硝酸银（AgNO3）为基体对制备得到的Li4Ti5O12进行金属Ag掺杂改性的实验。通过金属掺杂，改善了所得产品的电导率，提高了样品比容量。实验考察了不同Ag掺杂量对产物性能的影响，选取了最佳掺杂比例，成功的将Li4Ti5O12在0.2C倍率下首次放电比容量提高到了207.5mAh/g，循环10次后容量保持率为97.83%，20C倍率下首次放电比容量提高到了124.6mAh/g,掺杂改性效果明显，基本达到了预期目标。
【作者】吴乐乐；
【导师】张宗弢；
【作者基本信息】吉林大学，高分子化学与物理，2014，硕士
【关键词】锂离子电池；水热合成；钛酸锂；球形；金属掺杂；

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