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锂离子电池负极材料钛酸锂的改性及其电化学性能研究

作 者: 于子佳
导 师: 王荣顺
学 校: 东北师范大学
专 业: 物理化学
关键词: 锂离子电池 负极材料 钛酸锂 改性研究 电导率
分类号: TM912
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要


锂离子电池具有省油和降低废气排放的潜力,近几年来,锂离子电池广泛应用于电动车和混合电动车。然而,采用碳材料或石墨为负极材料的商业用锂离子电池,长久以来一直存在着潜在的安全隐患。传统的碳材料在嵌锂终端电压几乎接近于0 V,因此在快充或过充的过程中,锂枝晶生成并沉积在碳材料表面,其易引起电池内部短路和电池爆炸。为解决现代锂离子电池技术的这一局限,有必要开发一种具有较高嵌锂电势的负极材料。尖晶石型钛酸锂已成为锂离子电池应用中极具前景的负极材料。与传统的商业化碳负极材料相比,钛酸锂具有较高的嵌锂电势,相对于金属锂而言,其工作电压约为1.55 V,能够阻止电极表面电解液被还原。而且,作为零应变嵌锂材料,钛酸锂在充放电过程中具有优越的可逆性,结构稳定性和卓越的锂离子迁移率。因此,钛酸锂具有较好的循环性能和安全性能。尽管钛酸锂具有上述诸多优点,但是钛酸锂的电子电导率很低,限制了其商业应用。本文主要从两个方面提高钛酸锂的电子电导率,一是采用水溶性高分子作碳源对纯钛酸锂进行碳包覆,二是采用金属离子对纯钛酸锂进行Li位或Ti位掺杂。主要的研究结果如下:1.利用水溶性高分子-聚乙烯醇(PVA)为碳源,采用高温固相法对钛酸锂进行碳包覆,制备了Li4Ti5O12/C复合材料。XRD数据表明,PVA的加入缩小了Li4Ti5O12的晶胞参数,而且并没有影响Li4Ti5O12晶体的主体结构。SEM图像表明,加入PVA的钛酸锂经高温烧结后,具有光滑的球形表面,粒子小且粒径分布窄。0.5C倍率下,复合物的初始放电容量为141mAh/g, 120个循环后,容量为104.9 mAh/g,容量衰减大,降低25.6%。2.采用水溶性聚合物-聚乙二醇(PEG)作为有机碳源,高温固相反应条件下对纯钛酸锂进行碳包覆,制备了Li4Ti5O12/C复合材料。XRD数据表明,PEG的加入缩小了Li4Ti5O12的晶胞参数,且并没有影响Li4Ti5O12的主体晶体结构。SEM图像表明,PEG的加入并没有改变钛酸锂的形貌,平均粒径在400nm左右,且粒径分布较宽。2C倍率下,复合物的初始放电容量为128.2 mAh/g,450个循环后,容量为95.3 mAh/g,容量衰减大,降低25.7%。1C倍率下,复合物的初始放电容量为136mAh/g,70个循环后,容量为125.1 mAh/g,下降8%左右。3.利用软化学法-溶胶凝胶法对钛酸锂在Li位进行Al3+掺杂的复合材料Li3.9Al0.1Ti5O12。SEM图像表明,经过高温煅烧后,粒子易团聚。Li3.9Al0.1Ti5O12的XRD中并未出现杂峰,与标准谱图(No. 26-1198)一致。4.对钛酸锂在Ti位进行V5+掺杂,高温固相反应条件下合成复合化合物Li4Ti4.9V0.1O12。经Jade 5对所得XRD数据计算表明,V5+的加入缩小了Li4Ti5O12的晶胞参数,且没有影响Li4Ti5O12的主体晶体结构。SEM图像分析表明,掺杂V5+后,粒径减小,在330nm以下。掺入V5+后的钛酸锂在电化学性能上有很大的改善,高倍率下容量大大提高且容量保持率高。

全文目录


中文摘要  4-6
英文摘要  6-10
第一章 文献综述  10-19
  1.1 锂离子电池的发展历程  10
  1.2 锂离子电池的工作原理和特点  10-12
    1.2.1 锂离子电池的工作原理  10-11
    1.2.2 锂离子电池的特点  11-12
  1.3 锂离子电池的主要应用领域  12-13
    1.3.1 锂离子电池在电子产品中的应用  12-13
    1.3.2 锂离子动力电池的应用  13
  1.4 锂离子电池负极材料的特点及研究进展  13-15
    1.4.1 碳负极材料  14
    1.4.2 硅基负极材料  14-15
  1.5 负极材料钛酸锂的特点及研究进展  15-18
    1.5.1 钛酸锂的结构与性能  15-16
    1.5.2 钛酸锂的制备  16-17
    1.5.3 钛酸锂的主要改性方法  17-18
  1.6 本文研究目的与研究内容  18-19
第二章 实验原料、仪器及研究方法  19-22
  2.1 实验药品  19
  2.2 实验仪器  19
  2.3 电极材料的制备方法  19-20
    2.3.1 高温固相法  19-20
    2.3.2 溶胶凝胶法  20
  2.4 电池的组装  20
  2.5 电极材料性能测试  20-22
第三章 采用新型碳源包覆的钛酸锂及其电化学性能  22-28
  3.1 引言  22
  3.2 Li_4Ti_5O_(12)/C 复合材料的制备  22
  3.3 结果与讨论  22-27
    3.3.1 PVA 对钛酸锂结构的影响及其形貌特征  22-23
    3.3.2 PVA 对钛酸锂的电化学影响  23-24
    3.3.3 PEG 对钛酸锂结构的影响及其形貌特征  24-25
    3.3.4 PEG 对钛酸锂电化学的影响  25-27
  3.4 本章小结  27-28
第四章 采用不同金属离子掺杂的钛酸锂及其电化学性能  28-40
  4.1 引言  28
  4.2 材料的制备  28
    4.2.1 Li_(3.9)Al_(0.1)Ti_5O_(12) 的制备  28
    4.2.2 Li_4Ti_(4.9)V_(0.1)O_(12) 的制备  28
  4.3 结果与讨论  28-39
    4.3.1 Li_(3.9)Al_(0.1)Ti_5O_(12) 的结构及其形貌特征  28-29
    4.3.2 Li_(3.9)Al_(0.1)Ti_5O_(12) 的电化学性能分析  29-32
    4.3.3 Li_4Ti_(4.9)V_(0.1)O_(12) 的结构及其形貌特征  32-35
    4.3.4 Li_4Ti_(4.9)V_(0.1)O_(12) 的电化学性能分析  35-39
  4.4 本章小结  39-40
第五章 结论与展望  40-42
  5.1 结论  40
  5.2 工作展望  40-42
参考文献  42-46
致谢  46-47
硕士期间科研成果  47

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术(直接发电) > 蓄电池
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