超小纳米钛酸锂合成及其在锂离子电池负极中的应用

发布时间：2020-09-26 18:43

　　尖晶石型Li4Ti5O12(LTO)具有充放电过程中“零应变”、循环性能优异、电压平台平稳的特点,被视为最有前景的锂离子电池负极材料之一。然而,钛酸锂电子导电和离子导电能力欠佳,严重影响倍率性能,限制了其广泛应用。离子掺杂、表面包覆、减小颗粒尺寸等方法被广泛用来改善钛酸锂负极材料倍率性能。其中,减小钛酸锂颗粒尺寸能够有效缩短锂离子和电子传输路径,提高倍率性能。固相反应法由于可规模化放大而具有较强实际应用前景。但是固相反应存在合成产物颗粒尺寸分布不均匀,形貌不规则,粒子尺寸增长和团聚难以控制等问题。因此通过固相反应方法难以合成小尺寸钛酸锂颗粒。基于此,本论文采用可放大固相反应法原位合成钛酸锂/碳微纳杂化材料,以提高钛酸锂电化学性能。第一,采用可放大固相反应方法成功合成分层结构LTO/C微纳杂化材料。超小钛酸锂纳米颗粒(直径约17 nm)均匀嵌入微米级连续碳基质中。首先采用双官能团甲基丙烯酸酯树脂单体作为溶剂和碳源,可控合成具有不同碳含量、二氧化钛颗粒大小、以及晶型的TiO2/C复合材料。在此基础上,将TiO2/C复合材料与Li2CO3进行高温固相反应,原位制备LTO/C微纳杂化材料。碳基质对固相反应过程中钛酸锂颗粒生长起到有效抑制作用。LTO/C微纳杂化材料与含有商用LTO颗粒的LTO/C复合材料相比,循环稳定性和倍率性能得到显著改善。在175 mA/g下循环1000次后,LTO/C微纳杂化材料可逆比容量仍保持在185 mAh/g,容量保持率为91%,而对照样品可逆比容量仅为135 mAh/g，容量保持率为78%。LTO/C微纳杂化材料倍率性能,特别是在大电流密度下,也明显优于对照样品。第二,采用高温CO2活化方法调控LTO/C微纳杂化材料钛酸锂颗粒大小、结晶程度以及碳基质含量。对本论文第三章所合成不同碳含量钛酸锂/碳微纳杂化材料,在800℃下,采用二氧化碳,分别活化处理4、8、12小时。作为性能对比,对同样样品在800℃下采用空气气氛热处理8小时。研究发现,LTO-A-CO2-12h与LTO-B-CO2-8h样品由于具有良好结晶性能、无二氧化钛杂相、钛酸锂颗粒较小(20nm、28nm)、碳基质含量合适等特点,电化学性能得到有效改善。具体而言,首次充电比容量分别为139 mAh/g和148 mAh/g,循环1000圈后,放电比容量分别为122 mAh/g和123 mAh/g,容量保持率分别为90%和83%。最高电流密度8750 mA/g下比容量达到65 mAh/g和76 mAh/g,对比空气热处理样品锂电性能得到明显提高。因此,采用高温CO2活化处理,在合适温度以及时间条件下,能够在碳基质质量分数、钛酸锂颗粒结晶程度以及钛酸锂颗粒大小等方面达到优化,使得钛酸锂/碳微纳杂化材料在1-2.5V电压窗口下循环性能和倍率性能得到大幅改善。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM912;TB383.1
【部分图文】：

图１－１锂离子电池典型应用领域逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．邋１－１邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋Ｌｉ－ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ．逡逑

超小纳米钛酸锂合成及其在锂离子电池负极中的应用

图１－２可充电电池能量密度［１２］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．邋１－２邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ１１２１．逡逑

超小纳米钛酸锂合成及其在锂离子电池负极中的应用

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【参考文献】