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锂离子电池负极材料Li_4Ti_5O_（12）的研究

作　者: 谢娇娜
导　师: 李建刚
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 锂离子电池负极材料 C/Li4Ti5O12复合材料掺杂包覆
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

目前,动力锂离子电池的开发对电池的比能量、寿命、安全性提出了更高的要求。Li4Ti5O12作为新型的锂离子电池负极材料,因充放电过程中“零应变”,具有优良的循环性能和平稳的放电电压,能够避免电解液分解现象或保护膜的生成,安全性和可靠性很高,引起很多科研工作者的兴趣。目前,限制该材料应用的主要因素是其较差的导电性。本文以改善Li4Ti5O12的倍率特性为目标,对锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的高温固相法制备工艺进行了研究与优化,在此基础上研究了C/Li4Ti5O12复合材料及B位Nb掺杂材料Li4Ti5-xNbxO12和A位Mg掺杂材料Li4-yMgyTi5O12的制备及电化学性能,取得如下主要创新性成果：以纳米级TiO2和Li2CO3为原料,采用高温固相法合成尖晶石型Li4Ti5O12。结果表明,800℃以上合成可得到纯尖晶石相Li4Ti5O12。样品的颗粒随着煅烧温度的升高和时间的延长而逐渐变大,800-820℃合成样品的晶粒发育很好。温度高于850℃晶粒开始熔融烧结。当反应时间超过14h以后,晶体颗粒已无明显变化。800℃下合成14h的样品电性能最佳,首轮容量为161.8 mAh.g-1,0.2C倍率30轮循环容量保持率为97.3%。采用高能球磨混料制得的Li4Ti5O12材料的性能优于研磨混料的。最优工艺条件为：球磨混料、800℃条件下煅烧14h。分别以碳黑和蔗糖作为碳源,采用两步固相煅烧工艺制备C／Li4Ti5O12复合材料。结果显示,所合成产物均无杂质峰。所制碳黑混合材料粒径约400-600nm；而蔗糖包覆样品抑制晶粒生长效果显著,粒径约100-200nm。对于碳黑混合改性Li4Ti5O12负极材料,预烧温度为650℃、碳黑混合量为5%的样品的电化学综合性能最优,1C充放电容量达161.4mAh.g-1,循环30轮容量保持率为100%。对于蔗糖包覆改性Li4Ti5O12负极材料,预烧温度为600℃、蔗糖包覆量为10%的样品电化学综合性能最优,1C充放电容量达163.1 mAh.g-1,循环30轮容量保持率为95.4%。相比碳黑混合改性样品而言,蔗糖包覆改性Li4Ti5O12负极材料的倍率特性更优。碳复合对Li4Ti5O12负极材料性能改善的原因应为：碳复合抑制了晶粒生长,缩短了锂离子扩散距离,且具有导电性的碳增加了电子电导性。掺杂改性研究结果显示,所制Mg2+掺杂材料都为尖晶石相结构,而Nb5+掺杂量x超过0.10时出现微量Nb2O5和LiNbO3杂相。离子掺杂对Li4Ti5O12材料的晶粒形态无明显影响。Nb掺杂样品中x为0.025和0.05的样品具有良好的电化学表现,0.2C倍率下的容量约164～169 mAh.g-1,5C时容量保持在50mAh.g-1左右；Mg掺杂样品中y为0.05的样品倍率性能较好,0.2C充放电容量在160 mAh.g-1左右,5C时容量保持在28mAh.g-1左右。与纯样Li4Ti5O12相比,这两种材料的大电流充放电容量及循环性能都有很大程度的改善。掺杂对Li4Ti5O12负极材料性能改善的原因应为：非等价置换掺杂导致电荷传递阻抗减小,提高了导电性,改善了倍率特性。以蔗糖为碳源,采用高温固相两步法煅烧工艺所合成C/Li4Ti5O12复合材料具有优良的电性能和广阔的应用前景。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-28
  1.1 引言  13
  1.2 锂离子电池的发展简史  13-14
  1.3 锂离子电池的特点  14
  1.4 锂离子电池的工作原理  14-15
  1.5 电极材料概述  15-19
    1.5.1 锂离子电池正极材料  16-17
    1.5.2 电解质材料  17
    1.5.3 锂离子电池负极材料  17-19
  1.6 负极材料Li_4Ti_5O_(12)的研究进展  19-26
    1.6.1 Li_4Ti_5O_(12)的结构与化学性能  19-21
    1.6.2 Li_4Ti_5O_(12)的制备方法及电化学性能  21-23
    1.6.3 Li_4Ti_5O_(12)的改性研究  23-25
    1.6.4 Li_4Ti_5O_(12)的应用  25-26
  1.7 选题意义与研究内容  26-28
第二章 Li_4Ti_5O_(12)的高温固相法制备与性能  28-41
  2.1 引言  28
  2.2 实验部分  28-31
    2.2.1 实验原料  28-29
    2.2.2 实验仪器  29
    2.2.3 材料的制备  29
    2.2.4 材料的表征  29-30
    2.2.5 电化学性能测试  30-31
  2.3 结果与讨论  31-39
    2.3.1 热处理温度对Li_4Ti_5O_(12)的结构与电化学性能的影响  31-36
    2.3.2 反应时间对Li_4Ti_5O_(12)的结构与电化学性能的影响  36-39
  2.4 本章小结  39-41
第三章 C/Li_4Ti_5O_(12)复合材料的制备与性能研究  41-63
  3.1 引言  41
  3.2 实验部分  41-44
    3.2.1 实验原料  41-42
    3.2.2 实验仪器  42
    3.2.3 材料的制备  42
    3.2.4 材料的表征  42-43
    3.2.5 电化学性能测试  43-44
  3.3 结果与讨论  44-62
    3.3.1 差热与热重分析  44-45
    3.3.2 X射线衍射(XRD)测试结果及分析  45-49
    3.3.3 扫描电镜(SEM)测试结果及分析  49-51
    3.3.4 充放电容量测试结果及分析  51-62
  3.4 本章小结  62-63
第四章 Nb、Mg离子掺杂改性Li_4Ti_5O_(12)负极材料的制备与性能  63-79
  4.1 引言  63
  4.2 实验部分  63-66
    4.2.1 实验原料  63-64
    4.2.2 实验仪器  64
    4.2.3 材料的制备  64-65
    4.2.4 材料的表征  65
    4.2.5 电化学性能测试  65-66
  4.3 结果与讨论  66-77
    4.3.1 Li_4Ti_(5-x)Nb_xO_(12)材料的X射线衍射(XRD)测试结果及分析  66-68
    4.3.2 Li_4Ti_(5-x)Nb_xO_(12)材料的扫描电镜(SEM)测试结果及分析  68-69
    4.3.3 Li_4Ti_(5-x)Nb_xO_(12)材料的电化学性能测试结果及分析  69-73
    4.3.4 Li_(4-y)Mg_yTi_5O_(12)材料的X射线衍射(XRD)测试结果及分析  73-74
    4.3.5 Li_(4-y)Mg_yTi_5O_(12)材料的电化学性能测试结果及分析  74-77
  4.4 本章小结  77-79
第五章结论  79-81
参考文献  81-84
研究成果及发表的学术论文  84-85
致谢  85-86
作者和导师简介  86

锂离子电池负极材料Li_4Ti_5O_（12）的研究

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