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链状结构Li_4Ti_5O_(12)/C的合成和LiMn_2O_4/Li_4Ti_5O_(12)锂离子电池的电化学性能研究

作　者: 谢国伟
导　师: 高立军
学　校: 南昌大学
专　业: 物理化学
关键词: 链状结构 Li4Ti5O12/C 改性 LiMn2O4 锂离子电池 电化学性能
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


锂离子电池具有循环寿命长、无污染、比能量大、功率大、无记忆效应等优点,成为取代污染严重的传统能源的清洁新能源储备装置。动力汽车及大型储能设备,要求具有较高的电压、更低成本和更安全的电极材料。然而,商业化的钴酸锂电极材料价格昂贵,在充放电过程中结构不稳定,难以满足动力汽车的要求；石墨负极材料因其电压平台接近锂金属,充放电过程中易形成SEI膜,形成枝晶,导致安全性能不好,商业钴酸锂/石墨锂离子电池难以满足大型储能设备的需求。因此,研发具有安全性能好,价格便宜、电压高、资源丰富、无污染等优点的电极材料成为发展锂离子电池新能源关键因素之一；尖晶石型锰酸锂具有结构稳定、电压高、安全性能好、对环境友好、材料廉价等优点,被认为是取代钴酸锂材料的新型动力电池的理想正极材料；负极材料钛酸锂具有安全性能好,资源丰富、易制备、结构稳定、倍率性能好、材料廉价等优点,能够满足动力汽车瞬问放电的需求,结合此两种材料各自的优点,本论文将合成和改性钛酸锂材料,再用改性好的钛酸锂和锰酸锂组装成LiMn2O4/Li4Ti5O12锂离子电池,并对其电化学性能研究,得出如下结论：1.通过利用软模板滤纸辅助溶胶-凝胶法制备链状结构Li4Ti5O12/C粉末,通过XRD, TEM和SEM表征,其颗粒形貌光滑,大小为250nnm,颗粒的表面包覆着一层4nm厚的碳,颗粒之间形成1-3μm的链。通过恒流充放电,阻抗测试和循环伏安法测试表征,结果表明其具有较好的电化学性能,在0.2C、12C的倍率下,其首次放电比容量分别为165.1mAhg-1和110.3mAhg-1,在5C的倍率下,经过470个循环后,其容量保持率为89%。说明链状结构的Li4Ti5O12/C具有很好的循环性能和倍率性能。2.通过淀粉胶状辅助液流变相法以LiCO3、TiO2和淀粉为原料制备Li4Ti5Ol2/C复合物,通过XRD、SEM、TEM和热重进行表征,其空间点群为Fd3m,颗粒形貌为球状,颗粒上有5nm厚度的碳包覆在其表面,其颗粒大小为500nm。与纯净的Li4Ti5O12比较,制备得到的Li4Ti5O12/C复合物有较高的比容量,较好的倍率性能和循环性能,分别在0.2C、20C的倍率下的首次放电比容量分别为171.5mAhg-1和110mAh g-1,在1C倍率下,经过500个循环后,其容量保持率为87%；在20C倍率下,经过2000个循环后容量保持率为73%。3.商业LiMn2O4材料通过XRD、SEM和粒度分析进行表征,结果表明其空间点群为Fd3m,平均颗粒大小为275nm；对LiMn2O4的电化学性能测试表明LiMn2O4在3.95V和4.10V左右有两个不同的放电平台；在不同倍率下进行电化学性能测试,表现出较好的倍率性能；在倍率为0.5C,20C的首次放电比容量分别为116mAhg-1,68mAhg-1,在1C的倍率充放电测试下,经过500次循环后放电容量保持率为66%,说明LiMn2O4材料具有较好的循环性能、较高的放电电压和较好的倍率性能。4.对LiMn2O4/Li4Ti5O12锂离子电池的电化学研究表明,在2.45V和2.55V左右有两个放电平台；在倍率为0.5C、12C的首次比容量分别为113.1mAhg-1、67.1mAh g-1,在6C下的首次比容量为87.1mAhg-1,85次循环后的容量保持率为97%；12C倍率下经过475次循环后的比容量为47.6mAhg-1,平均每次放电衰减比容量为0.0568%,结果证明LiMn2O4/Li4Ti5O12锂离子电池具有较好的电化学性能。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
第1章 文献综述  11-35
  1.1 概述  11
  1.2 锂离子电池的概述  11-14
    1.2.1 锂离子电池的发展历史  11-12
    1.2.2 锂离子电池的工作原理及结构  12-14
  1.3 锂离子电池的特点  14-15
  1.4 锂离子电池正极材料的研究进展  15-28
    1.4.1 锂离子电池正极材料的选择条件  16
    1.4.2 锂离子正极材料在国内外研究现状  16-28
  1.5 锂离子电池的负极材料研究进展  28-34
    1.5.1 负极材料的选材要求  28-29
    1.5.2 负极材料的研究进展  29-34
  1.6 本论文的主要研究目的和内容  34
  1.7 本论文的创新之处  34-35
第2章 实验药品和试剂、方法及原理  35-42
  2.1 实验药品及试剂  35
  2.2 实验设备及装置  35-36
    2.2.1 管式电阻炉  35-36
    2.2.2 手套箱  36
    2.2.3 真空干燥箱  36
  2.3 电池的组装  36-37
    2.3.1 极片的制备  37
    2.3.2 电解液与隔膜  37
  2.4 材料的物理性能表征  37-39
    2.4.1 扫描电子显微镜  37
    2.4.2 XRD物相分析  37-38
    2.4.3 粒度分析  38
    2.4.4 热重分析  38
    2.4.5 透射电子显微镜  38-39
  2.5 电化学性能表征  39-42
    2.5.1 恒电流充放电测试  39
    2.5.2 循环伏安法  39-40
    2.5.3 交流阻抗  40-42
第3章 链状结构Li_4Ti_5O_(12)/C的合成及其电化学性能研究  42-49
  3.1 概述  42-43
  3.2 链状Li_4Ti_5O_(12)/C的合成及极片的制备  43
    3.2.1 链状结构Li_4Ti_5O_(12)/C的合成  43
    3.2.2 极片的制备  43
    3.2.3 电池的组装  43
  3.3 链状Li_4Ti_5O_(12)/C的表征  43-45
    3.3.1 链状Li_4Ti_5O_(12)/C粉末的结构分析  43-44
    3.3.2 材料的形貌电镜表征  44-45
  3.4 链状Li_4Ti_5O_(12)/C电化学性能研究  45-48
    3.4.1 恒电流充放电测试  45-46
    3.4.2 交流阻抗测试  46-47
    3.4.3 循环伏安测试  47-48
  3.5 本章小结  48-49
第4章 淀粉溶胶辅助流变相法合成Li_4Ti_5O_(12)/C及其电化学性能研究  49-62
  4.1 概述  49-50
  4.2 材料的合成  50-55
    4.2.1 Li_4Ti_5O_(12)及Li_4Ti_5O_(12)/C复合物的合成  50
    4.2.2 极片的制备及电池组装  50-51
    4.2.3 结构形貌表征、粒度分析及热重分析  51-55
  4.3 电化学性能研究  55-61
    4.3.1 恒电流充放电测试  55-58
    4.3.2 交流阻抗测试  58-59
    4.3.3 循环伏安测试  59-61
  4.4 本章小结  61-62
第5章 锂离子电池LiMn_2O_4/Li_4Ti_5O_4的电化学性能研究  62-75
  5.1 概述  62-63
  5.2 极片的制备和电池的组装  63
    5.2.1 正极极片的制备  63
    5.2.2 电池的组装  63
  5.3 正极材料LiMn_2O_4的表征  63-68
    5.3.1 正极材料LiMn_2O_4的XRD  63-64
    5.3.2 正极材料LiMn_2O_4的扫描电子显微镜表征  64
    5.3.3 LiMn_2O_4的粒度分析  64-65
    5.3.4 正极材料LiMn_2O_4的恒流充放电  65-67
    5.3.5 正极材料LiMn_2O_4的循环伏安测试  67-68
  5.4 负极材料Li_4Ti_5O_(12)/C复合材料的表征  68
  5.5 LiMn_2O_4/Li_4Ti_5O_(12)锂离子电池的电化学性能研究  68-74
    5.5.1 正负极活性物质质量比的选择  68-69
    5.5.2 LiMn_2O_4/Li_4Ti_5O_(12)锂离子电池的恒流充放电  69-71
    5.5.3 交流阻抗测试  71-73
    5.5.4 循环伏安测试  73-74
  5.6 本章小结  74-75
第6章 结论和展望  75-77
  6.1 结论  75-76
  6.2 展望  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-91
攻读学位期间的研究成果  91

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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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