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锂离子电池负极材料介孔球形钛酸锂的合成及电化学性能的研究

作　者: 贺利敏
导　师: 梅天庆
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 物理化学
关键词: 锂离子电池负极材料钛酸锂内凝胶法介孔微球
分类号: TM912
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文以研究比容量高、比表面积大、循环性能好、制备工艺简单且成本低廉的锂离子电池负极材料钛酸锂,分析该材料的物化性能和电化学性能为目的,先采用内凝胶法合成目标产物球形二氧化钛,并考察合成过程中影响球形二氧化钛形成的各种因素,然后使用高温固相法制备球形钛酸锂。首先以TiCl₄为原料,六亚甲基四胺为固化剂,尿素为共沉淀剂,然后以液体石蜡为分散剂,制备出具有球形形貌的前驱体二氧化钛,利用SEM扫描电镜可以看出内凝胶法制备出的材料的颗粒尺寸在1～6μm之间,颗粒平均粒径为3μm左右,球体表面比较光滑,流动性很好,进行热处理后也没有发生形变。使用上述制备的球形二氧化钛为原料与碳酸锂混合,制备了具有尖晶石结构的球形钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)粉末。以此工艺为基础,在合成球形二氧化钛的过程中加入三嵌段共聚物F127,制备出了电化学性能更好的介孔球形钛酸锂。这种样品的比表面积为169.678 m²/g、平均孔径为10.300 nm、孔容为0.437 cm³/g。XRD、SEM及电化学性能测试等分析手段表明,合成的Li₄Ti₅O₁₂材料均为纳米一次粒子（晶粒）组成的球形二次粒子（颗粒）,并具有较大的比表面积。将这种表面有介孔孔道结构的球形钛酸锂为正极材料、锂（Li）片为负极材料组成的锂离子电池具有平稳的充放电电压平台和优异的循环性能。在1.0～2.5 V之间充放电,其首次放电容量为173.8 mAh/g,经过30次循环后,其放电比容量仍有170.2 mAh/g。说明了此方法大大的改进了钛酸锂的电化学性能。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-26
  1.1 锂离子电池概述及发展  12-13
  1.2 锂离子电池的特点  13-15
    1.2.1 锂离子电池的工作原理  13-14
    1.2.2 锂离子电池的种类及其优点  14-15
  1.3 锂离子电池的组成部分和正负极材料的发展状况  15-21
    1.3.1 锂离子电池正极材料  15-17
      1.3.1.1 锂离子电池的正极材料─LiCoO_2  16
      1.3.1.2 锂离子电池的正极材料─LiNiO_2  16
      1.3.1.3 锂离子电池的正极材料─LiMn_2O_4  16-17
      1.3.1.4 其他的正极材料  17
    1.3.2 锂离子电池的负极材料  17-20
      1.3.2.1 锂离子电池的负极材料-碳材料  17-18
      1.3.2.2 锂离子电池的负极材料-合金  18
      1.3.2.3 锂离子电池的负极材料-钛氧化物  18-19
      1.3.2.4 锂离子电池的其他负极材料  19-20
    1.3.3 锂离子电池的电解质  20-21
  1.4 锂离子电池电极材料的测试方法  21-23
    1.4.1 热重―差热(TG-DTA)测试  21
    1.4.2 结构与形貌表征  21-22
      1.4.2.1 X 射线衍射（XRD）测试  21-22
      1.4.2.2 扫描电镜（SEM）测试  22
      1.4.2.3 N2 等温吸脱附（BET）测试  22
    1.4.3 电化学性能测试  22-23
      1.4.3.1 充放电测试法  22
      1.4.3.2 循环伏安法（CV）  22-23
      1.4.3.3 交流阻抗谱法（EIS）  23
  1.5 钛酸锂负极材料目前国内外的制备方法  23-24
    1.5.1 固相法  23-24
    1.5.2 微波化学法  24
    1.5.3 熔融浸渍法  24
    1.5.4 水热反应法  24
    1.5.5 溶胶-凝胶法  24
  1.6 本论文的研究内容及意义  24-26
第二章内凝胶法制备钛酸锂的钛源─球形二氧化钛  26-36
  2.1 引言  26-27
  2.2 实验内容  27-29
    2.2.1 实验试剂与仪器  27-28
    2.2.2 球形二氧化钛的合成  28-29
      2.2.2.1 溶液的制备  28
      2.2.2.2 球形粒子的制备  28
      2.2.2.3 陈化与洗涤  28-29
    2.2.3 二氧化钛材料的结构鉴定及形貌观察  29
      2.2.3.1 XRD 测试  29
      2.2.3.2 SEM 测试  29
      2.2.3.3 BET 测试  29
  2.3 二氧化钛的结构表征结果分析  29-35
    2.3.1 二氧化钛的微观形貌  29-33
    2.3.2 二氧化钛的物相结构分析  33-34
    2.3.3 二氧化钛的比表面积分析  34-35
  2.4 本章小结  35-36
第三章固相法制备球形钛酸锂（Li_4Ti_5O_(12)）  36-52
  3.1 引言  36-37
    3.1.1 固相反应法─反应温度  36-37
    3.1.2 固相反应法─合成时间  37
    3.1.3 固相反应法─混料方式  37
    3.1.4 固相反应法─其他方式  37
  3.2 实验内容  37-41
    3.2.1 实验试剂与仪器  37-38
    3.2.2 球形钛酸锂的合成  38-39
    3.2.3 电极片的制备  39-40
      3.2.3.1 正极材料的制备  39
      3.2.3.2 正极材料的制备  39-40
    3.2.4 球形钛酸锂的结构鉴定及形貌观察  40
      3.2.4.1 XRD 测试  40
      3.2.4.2 SEM 测试  40
      3.2.4.3 BET 测试  40
      3.2.4.4 TEM 测试  40
      3.2.4.5 TG-DSC 测试  40
    3.2.5 球形钛酸锂的电化学性能测试  40-41
      3.2.5.1 充放电性能测试  40
      3.2.5.2 循环伏安（CV）测试  40-41
  3.3 结果与讨论  41-50
    3.3.1 固相法制备钛酸锂的最佳条件的确定  41-45
      3.3.1.1 制备钛酸锂―温度条件的基本确定  41-42
      3.3.1.2 制备钛酸锂―时间的影响  42-43
      3.3.1.3 制备钛酸锂―原料的影响  43-45
    3.3.2 优化条件下制备球形钛酸锂  45-50
      3.3.2.1 球形钛酸锂的物相结构分析  45
      3.3.2.2 钛酸锂的微观形貌  45-47
      3.3.2.3 球形钛酸锂充放电性能测试  47-50
      3.3.2.4 球形钛酸锂的循环伏安测试  50
  3.4 本章小结  50-52
第四章内凝胶法制备介孔球形钛酸锂（Li_4Ti_5O_(12)）  52-69
  4.1 引言  52-53
  4.2 实验内容  53-56
    4.2.1 实验试剂与仪器  53
    4.2.2 介孔球形钛酸锂的合成  53-55
    4.2.3 介孔球形钛酸锂的结构鉴定及形貌观察  55-56
      4.2.3.1 XRD 测试  55
      4.2.3.2 SEM 测试  55
      4.2.3.3 BET 测试  55
      4.2.3.4 TEM 测试  55-56
    4.2.4 介孔球形钛酸锂的电化学性能测试  56
      4.2.4.1 充放电性能测试  56
      4.2.4.2 循环伏安（CV）测试  56
      4.2.4.3 交流阻抗测试  56
  4.3 实验结果与讨论  56-67
    4.3.1 介孔球形二氧化钛的物相结构及形貌  56-67
      4.3.1.2 介孔球形钛酸锂物相结构分析  57-58
      4.3.1.3 介孔球形钛酸锂的N_2 吸脱附结果分析  58-60
      4.3.1.4 介孔球形钛酸锂微观形貌  60-61
      4.3.1.5 介孔球形钛酸锂充放电性能测试  61-65
      4.3.1.6 介孔球形钛酸锂的循环伏安测试  65-66
      4.3.1.7 介孔球形钛酸锂的交流阻抗测试  66-67
  4.4 本章小结  67-69
第五章总结与展望  69-71
  5.1 总结  69-70
  5.2 展望  70-71
参考文献  71-78
致谢  78-79
在校期间发表的论文  79

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