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Li_4Ti_5O_（12）的制备与性能研究

作　者: 单宇
导　师: 梁广川
学　校: 河北工业大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 负极材料 Li4Ti5O12 固相合成正交实验掺碳溶胶-凝胶法
分类号: TM912.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

本文采用高温固相法制备锂离子电池负极材料钛酸锂,以锐钛矿型TiO2、电池级Li2CO3为原料,按照化学计量比混合后氮气气氛下合成了具有理想尖晶石结构的Li₄Ti₅O₁₂材料。采用XRD、SEM、LPS表征样品的晶体结构和形貌分布,在1².5V（vs.Li/Li+）电位区间内恒流充放电循环测试样品的电化学性能。以正交实验L9（33）确定合成纯相Li₄Ti₅O₁₂基本工艺,并在此基础上考察了合成温度、合成时间、锂钛比等单因素对Li₄Ti₅O₁₂物相及电化学性能的影响,由此得到合成工艺:按n（Li）/n（Ti）=0.84配比原料,初步600℃焙烧4小时、再经850℃4小时合成。样品颗粒晶体结构为立方尖晶石型,特征峰与Li₄Ti₅O₁₂标准卡片基本吻合,呈类球形形貌,中位粒径为0.87μm且分布均匀。0.2C时首次放电比容量为181.9mAh/g,1C下经50次循环后比容量仍为131.9mAh/g,表现出良好的循环放电性能。掺入有机碳源合成Li₄Ti₅O₁₂/C材料,从而提高电导率至10-3S/cm,研究了不同碳源及碳含量对合成的Li₄Ti₅O₁₂/C材料物相结构、形貌分布和电化学性能的影响。其中,以葡萄糖为碳源制备的Li₄Ti₅O₁₂/C材料适宜高倍率放电,碳量在2%时合成材料性能较好,0.2C时其首次放电比容量可达190.8mAh/g,1C时循环80次后比容量保持在151mAh/g,保持率为94.85%,表现出良好的循环稳定性。采用溶胶-凝胶法制备纳米Li₄Ti₅O₁₂/C复合材料,以CH3COOLi·2H2O、Ti（OC4H9）4为原料,草酸作络合剂及碳源,研究了锂源用量、蔗糖碳源包覆对材料结构和电化学性能的影响。研究表明:当锂源过量5%时,此前躯体在N2气氛下经750℃热处理8h后得到物相单一、结构稳定、粒径更小的Li₄Ti₅O₁₂/C材料,室温下0.2C、1C、2C和5C时首次放电比容量分别为182.5、162.7、155.7和155.3mAh/g,5C下循环50次后仍达153.9mAh/g,容量保持率为98.4%;在前躯体制备时,以蔗糖替代部分草酸作碳源,所得样品经SEM分析呈多孔疏松状,为粒径约为80¹00nm的Li₄Ti₅O₁₂/C纳米级材料,更利于锂离子快速嵌入与脱出,在5C下放电比容量达154.6mAh/g,提高振实密度至1.48g/cm3。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
第一章文献综述  11-24
  1.1 引言  11
  1.2 锂离子电池的发展及其工作原理  11-14
    1.2.1 锂离子电池的发展历程  11-12
    1.2.2 锂离子电池的特点与前景  12-13
    1.2.3 锂离子电池结构及工作原理  13-14
  1.3 锂离子电池负极材料的研究  14-17
    1.3.1 碳基负极材料  15-16
    1.3.2 非碳基负极材料  16-17
  1.4 尖晶石型负极材料Li_4Ti_5O_(12) 的研究进展  17-22
    1.4.1 Li_4Ti_5O_(12) 的结构及特点  18-19
    1.4.2 Li_4Ti_5O_(12) 的制备方法及特点  19-21
    1.4.3 Li_4Ti_5O_(12) 的不足及改性研究  21-22
  1.5 选题意义及主要研究内容  22-24
第二章实验方法  24-30
  2.1 实验试剂和仪器  24-25
  2.2 样品的制备  25-27
    2.2.1 Li_4Ti_5O_(12) 的高温固相法制备  25-26
    2.2.2 Li_4Ti_5O_(12)/C的高温固相法制备  26
    2.2.3 Li_4Ti_5O_(12)/C的溶胶-凝胶法制备  26-27
  2.3 材料的表征与测试  27-28
    2.3.1 热重-差热分析(TG-DTA)  27
    2.3.2 X射线衍射分析(XRD)  27
    2.3.3 扫描电镜分析(SEM)  27-28
    2.3.4 粒径测试(LPS)  28
    2.3.5 振实密度测试  28
    2.3.6 电导率测试  28
  2.4 电化学性能测试  28-30
    2.4.1 电极的制备  28
    2.4.2 电池的装配  28-29
    2.4.3 充放电循环测试  29-30
第三章高温固相法合成Li_4Ti_5O_(12)工艺的优化  30-44
  3.1 引言  30
  3.2 实验  30-32
    3.2.1 纯相钛酸锂的固相合成正交实验  30-32
      3.2.1.1 实验因素的拟定  30-31
      3.2.1.2 正交实验  31-32
    3.2.2 纯相钛酸锂的固相合成优化实验  32
  3.3 结果与讨论  32-42
    3.3.1 正交实验结果和极差分析  32-33
    3.3.2 验证实验LTO性能的结果与分析  33-37
      3.3.2.1 LTO的X射线衍射分析  34
      3.3.2.2 LTO的扫描电子显微镜分析  34-35
      3.2.3.3 LTO的激光粒度测试  35
      3.3.2.4 LTO的充放电性能  35-37
    3.3.3 单因素优化实验结果与分析  37-42
      3.3.3.1 合成温度优化实验  37-39
      3.3.3.2 合成时间优化实验  39-40
      3.3.3.3 锂钛比优化实验  40-42
  3.4 本章小结  42-44
第四章碳源和掺碳量对材料性能的影响  44-52
  4.1 引言  44
  4.2 实验  44
    4.2.1 不同碳源对材料的影响  44
    4.2.2 不同掺碳量对材料的影响  44
  4.3 结果与讨论  44-51
    4.3.1 掺入不同碳源样品的数据与分析  44-47
      4.3.1.1 Li_4Ti_5O_(12)/C复合材料的SEM分析  44-45
      4.3.1.2 Li_4Ti_5O_(12)/C复合材料的充放电循环特性  45-47
    4.3.2 掺入不同碳量样品的数据与分析  47-51
      4.3.2.1 X射线衍射分析  47-48
      4.3.2.2 充放电循环特性分析  48-49
      4.3.2.3 掺碳量对材料的粒度影响  49-51
  4.4 本章小结  51-52
第五章溶胶-凝胶法制备高倍率Li_4Ti_5O_(12)/C的探究  52-61
  5.1 引言  52
  5.2 实验  52-53
    5.2.1 锂源过量对材料的改性  52
    5.2.2 碳包覆对材料的改性  52-53
  5.3 结果与讨论  53-60
    5.3.1 锂源过量改性材料的数据与分析  53-56
      5.3.1.1 热重及差热分析  53
      5.3.1.2 XRD及SEM分析  53-55
      5.3.1.3 电化学性能分析  55-56
    5.3.2 碳包覆改性材料的数据与分析  56-60
      5.3.2.1 热重及差热分析  56-57
      5.3.2.2 XRD及SEM分析  57-58
      5.3.2.3 电化学性能分析  58-60
  5.4 本章小结  60-61
第六章结论  61-62
参考文献  62-66
发表论文和参加科研情况说明  66-67
致谢  67

Li_4Ti_5O_（12）的制备与性能研究

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