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Li_4Ti_5O_（12）材料的合成及掺杂改性研究

作　者: 武洪彬
导　师: 陈猛
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 应用化学
关键词: 锂离子电池 负极材料 Li4Ti5O12 掺杂改性
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


本文在研究锂离子电池负极材料Li4Ti5O12合成的基础上,对其进行了一元和二元掺杂。采用X射线衍射分析和扫描电子显微镜测试了材料的晶体结构和表面形貌；采用恒流充放电测试、电化学阻抗测试、循环伏安测试分析了材料作为锂离子电池负极材料的综合电化学性能。采用高能球磨法和高温固相法制备了Li4Ti5O12。物相分析表明：材料晶体结构的特征峰与尖晶石型Li4Ti5O12的标准图谱(JCPDS卡号72-0426)相吻合,合成的样品均具有Fd-3m结构,样品的粒径较均匀,晶体颗粒分布也较均匀；电化学测试表明：采用高能球磨法制备的Li4Ti5O12的首次放电容量明显比高温固相法的高,其中采用高能球磨法制备的Li4Ti5O12以0.5 C循环的首次放电容量可达149.95 mAh·g-1,经过50次充放电循环后,容量仍保持在121.52mAh·g-1。对高能球磨法制备的尖晶石型Li4Ti5O4进行高倍率放电测试,电化学测试表明：随着放电倍率增加,放电容量和放电平台呈阶梯状减小。采用高能球磨法对尖晶石型Li4Ti5O12进行了一元铝AL3+、Mg2+和二元Al3+、Mg2+掺杂。结果表明：在一元铝掺杂中,样品Li3.90Al0.10Ti5O12 (x=0.10)的性能较好,以0.5 C循环的首次放电比容量较高,为162.21 mAh·g-1,放电平台较平坦,第50次循环时的放电比容量为151.91 mAh·g-1，容量保持率为93.65%；在一元镁掺杂中,样品Li3.90Mg0.10Ti5O12(x=0.10)的性能较好,以0.5 C循环的首次放电比容量较高,为165.10mAh·g-1,放电平台较平坦,第50次循环时的放电比容量为143.13 mAh·g-1,容量保持率为85.70%：在铝、镁二元掺杂中,铝、镁元素的引入并未明显影响Li4Ti5O12作为锂离子电池负极材料的放电电压平台,材料的循环性能没有得到明显改善,可能是由于镁铝元素的掺杂,导致可逆Li+的减少,造成比容量降低。采用高温固相法对尖晶石型Li4Ti5O12进行了一元锡、镍和二元锡、镍掺杂。结果表明：在一元锡掺杂中,样品ST2(Sn:Ti=1:9)的性能较好,以0.5 C循环,放电平台为2.42V,且放电平台较平坦,首次放电比容量为138.69 mAh·g-1,第50次循环时的放电比容量为124.30 mAh·g-1,容量保持率为89.62%；在一元镍掺杂中,样品NT2(Ni:Ti=1:9)的性能较好,以0.5 C循环,放电电压为2.32V,且放电平台较平坦,首次放电比容量较高,为139.49 mAh·g-1,第50次循环时的放电比容量为126.68 mAh·g-1，容量保持率为90.82%；在锡、镍二元掺杂中,随着镍元素的增加,降低了Li4Ti5O12作为锂离子电池负极材料的放电电压平台,且材料的循环性能也有所改善。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章 绪论  12-21
  1.1 概述  12
  1.2 锂离子电池的诞生与发展  12-13
  1.3 锂离子电池的结构及工作原理  13-14
    1.3.1 锂离子电池的结构  13-14
    1.3.2 锂离子电池的工作原理  14
  1.4 锂离子电池的特点  14
  1.5 锂离子电池的电极材料概述  14-15
    1.5.1 锂离子电池的正极材料  14-15
    1.5.2 锂离子电池的负极材料  15
  1.6 锂离子电池的电解液  15
  1.7 负极材料Li_4Ti_5O_(12)简介  15-19
    1.7.1 负极材料Li_4Ti_5O_(12)的研究进展  15-16
    1.7.2 Li_4Ti_5O_(12)的结构及电化学性能  16-18
    1.7.3 Li_4Ti_5O_(12)的制备方法  18-19
    1.7.4 Li_4Ti_5O_(12)常见的改性方法  19
  1.8 选题意义及研究内容  19-20
  1.9 本章小结  20-21
第2章 实验药品及测试方法  21-25
  2.1 实验原料及测试仪器  21-22
  2.2 材料的制备  22-23
  2.3 电极制备和模拟电池组装  23
    2.3.1 电极制备  23
    2.3.2 模拟电池组装  23
  2.4 材料的性能测试  23-24
    2.4.1 样品的物相分析  23
    2.4.2 电化学性能测试  23-24
  2.5 本章小结  24-25
第3章 尖晶石型Li_(4-x)M_xTi_5O_(12)的测试结果及分析  25-42
  3.1 实验合成设计  25
  3.2 尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)的测试结果及分析  25-28
    3.2.1 尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)的物相分析  25-26
    3.2.2 尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)的电化学性能分析  26-28
  3.3 高倍率放电测试结果和分析  28-29
  3.4 一元铝掺杂Li_4Ti_5O_(12)的测试结果和分析  29-34
    3.4.1 铝掺杂样品的物相分析  29-31
    3.4.2 铝掺杂样品的电化学性能分析  31-34
  3.5 一元镁掺杂Li_4Ti_5O_(12)的测试结果和分析  34-40
    3.5.1 镁掺杂样品的物相分析  34-37
    3.5.2 镁掺杂样品的电化学性能分析  37-40
  3.6 本章小结  40-42
第4章 尖晶石型Li_4Ti_(5-X)M_XO_(12)的测试结果及分析  42-53
  4.1 实验合成设计  42
  4.2 一元锡掺杂Li_4Ti_5O_(12)的测试结果和分析  42-47
    4.2.1 锡掺杂样品的物相分析  42-44
    4.2.2 锡掺杂样品的电化学性能分析  44-47
  4.3 一元镍掺杂Li_4Ti_5O_(12)的测试结果和分析  47-51
    4.3.1 镍掺杂样品的物相分析  47-48
    4.3.2 镍掺杂样品的电化学性能分析  48-51
  4.4 本章小结  51-53
第5章 二元掺杂样品的测试结果及分析  53-62
  5.1 实验合成设计  53
  5.2 镁、铝掺杂Li_4Ti_5O_(12)的测试结果和分析  53-57
    5.2.1 镁、铝掺杂样品的物相分析  53-55
    5.2.2 镁、铝掺杂样品的电化学性能分析  55-57
  5.3 锡、镍掺杂Li_4Ti_5O_(12)的测试结果和分析  57-60
    5.3.1 锡、镍掺杂样品的物相分析  57-58
    5.3.2 锡、镍掺杂样品的电化学性能分析  58-60
  5.4 本章小结  60-62
结论  62-64
参考文献  64-70
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  70-71
致谢  71

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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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