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新型锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的制备与改性研究

作 者: 彭缓缓
导 师: 华万森;纪明中
学 校: 南京理工大学
专 业: 无机化学
关键词: 锂离子电池 Li4Ti5O12 掺杂包覆 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


锂离子电池具有质量轻和高能量密度的优点,是目前最有发展前景的新能源材料之一。传统碳质负极材料在Li+插入结束时电位几乎接近零,在大电流或过充时碳电极表面会有锂枝晶(树突状)生成,容易导致短路从而产生安全性问题。尖晶石型Li4Ti5O12被认为是一种可以替代碳的新型锂离子电池负极材料,在快速充放电循环过程中能够重复脱嵌Li+而保持结构稳定不变,能够有效地提高材料的安全性和稳定性。但Li4Ti5O12特殊的绝缘性导致其电化学性能相对偏低。本论文从优化制备方法、掺杂及包覆改性等方面对Li4Ti5O12进行深入的研究,考察了离子掺杂或包覆对材料结构形貌、循环性能及导电性的影响。本论文首次以锐钛矿和金红石混合晶型的Ti02和熔点较低的CH3COOLi·2H2O为原料采用熔盐法合成尖晶石型Li4Ti5O12,(?)开究了焙烧温度和时间对产物结构、容量和循环性能的影响,结果表明最佳合成条件为:以10℃/min进行程序加热,70℃保温5h,800℃焙烧5h,制备出的纯相尖晶石型Li4Ti5O12性能最佳,产物具有较好的可逆容量和循环性能。与传统高温固相法相比,熔盐法简单易行、对钛源要求不高、能够在较低温度和较短时间内合成出电化学性能较优的负极材料。本文采用熔盐法对Li4Ti5O12进行了掺杂改性,用Na+进行了有效掺杂。研究结果表明,当Na+掺杂产物Li4-xNaxTi5Oi2(x=0,0.02,0.04,0.08,0.1)中x=0.08时材料表现出最优的循环性能和导电性。本文还以La(NO3)3和AgNO3作为原料对Li4Ti5O12进行掺杂和包覆,分别对Li4Ti5O12/La、Li4Ti5O12/Ag的结构及电化学性能探究方面做了有益的研究,结果显示,当n(La/Ti)和n(Ag/Ti)均为1:100时的倍率性能均比单纯相Li4T15O12好。本文采用了溶胶-凝胶法制备了高密度分布的Li4Ti5O12及Li4Ti5O12首次对Li4Ti5O12进行了Na+和La3+的二元掺杂和包覆,得出当掺杂量为n(La/Ti)=1:100、x=0.05时样品的可逆容量和循环稳定性能最佳。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-9
1 绪论  9-25
  1.1 锂离子电池的发展  10-13
    1.1.1 锂离子电池简介  10
    1.1.2 锂离子电池工作原理及其特点  10-13
  1.2 锂离子电池正极材料  13-14
    1.2.1 正极材料的特点  13
    1.2.2 嵌锂过渡金属氧化物  13-14
    1.2.3 多元酸根离子体系  14
  1.3 锂离子电池负极材料  14-17
    1.3.1 锂离子电池负极材料特点  14-15
    1.3.2 锂离子电池负极材料的发展  15-16
    1.3.3 其他负极材料  16-17
  1.4 新型负极材料尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)的研究进展  17-24
    1.4.1 Li_4Ti_5O_(12)的结构及特性  17-18
    1.4.2 Li_4Ti_5O_(12)的制备方法  18-20
    1.4.3 Li_4Ti_5O_(12)的改性  20-23
    1.4.4 Li_4Ti_5O_(12)的应用  23-24
  1.5 本文选题的目的及研究内容  24-25
2 实验材料和研究方法  25-31
  2.1 实验药品及仪器  25-26
  2.2 电极材料的制备和测试电池的组装  26-28
    2.2.1 电极材料的制备  26-27
    2.2.2 实验电池的组装  27-28
  2.3 材料的结构表征和电化学性能测试  28-31
    2.3.1 热重-差示扫描量热分析(TG-DSC)  28
    2.3.2 X射线衍射分析(XRD)  28
    2.3.3 扫描电子显微镜(SEM)  28-29
    2.3.4 恒电流(倍率)充放电测试  29
    2.3.5 电化学阻抗分析(EIS)  29-31
3 锐钛矿/金红石混合相TiO_2为原料熔盐法制备Li_4Ti_5O_(12)  31-38
  3.1 烧结温度的确定  31-32
  3.2 前躯体TiO_2的XRD分析  32-33
  3.3 熔盐法制备尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)  33-37
    3.3.1 烧结温度及时间对产物Li_4Ti_5O_(12)结构和性能的影响  33-37
  3.4 本章小结  37-38
4 碱金属离子Na~+对Li_4Ti_5O_(12)进行掺杂改性  38-44
  4.1 引言  38
  4.2 Li_(4-x)Na_xTi_5O_(12)材料的制备  38-42
    4.2.1 Li_(4-x)Na_xTi_5O_(12)的XRD结构表征  38-40
    4.2.2 Li_(4-x)Na_xTi_5O_(12)的容量和循环性能  40-41
    4.2.3 样品Li_(3.92)Na_(0.08)Ti_5O_(12)的倍率性能  41
    4.2.4 样品Li_(3.92)Na_(0.08)Ti_5O_(12)的SEM分析  41-42
    4.2.5 样品Li_(3.92)Na_(0.08)Ti_5O_(12)的电化学阻抗分析  42
  4.3 本章小结  42-44
5 La~(3+)、Ag~+对Li_4Ti_5O_(12)的改性研究  44-53
  5.1 La~(3+)掺杂Li_4Ti_5O_(12)  44-48
    5.1.1 材料的制备  44
    5.1.2 La~(3+)掺杂Li_4Ti_5O_(12)材料的结构及形貌分析  44-46
    5.1.3 La~(3+)掺杂Li_4Ti_5O_(12)材料的电化学特性  46-48
  5.2 Ag包覆Li_4Ti_5O_(12)  48-52
    5.2.1 样品制备及结构表征  48-50
    5.2.2 Li_4Ti_5O_(12)/Ag的电化学性能  50-52
  5.3 本章小结  52-53
6 溶胶-凝胶法制备Li_(4-x)Na_xTi_5O_(12)/La二元掺杂产物  53-59
  6.1 引言  53
  6.2 溶胶凝胶法的机理及二元掺杂制备过程  53-54
  6.3 溶胶凝胶法合成Li_4Ti_5O_(12)及其掺杂产物的结构形貌表征  54-56
  6.4 溶胶凝胶法制备Li_4Ti_5O_(12)及Li_(4-x)Na_xTi_5O_(12)/La的电化学性能  56-58
  6.5 本章小结  58-59
7 全文总结  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-66

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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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