Li 4 Ti 5 O 12 纳米片/石墨烯复合负极材料的制备与电化学性能研究
发布时间：2021-04-15 15:51
作为锂离子电池新型负极材料的钛酸锂(Li4Ti5O12)较高的嵌锂电位较高（1.55V,相对于Li/Li+）,循环性能优异,电压平台平稳高等诸多优点,可以用来提升现阶段锂离子电池的倍率与安全性能,具有十分良好的发展前景。然而,Li4Ti5O12材料存在较大的本征缺陷,较低的导电率和锂离子扩散系数严重抑制了其电化学性能的发挥,从而阻碍了它的实际应用。减小粒径尺寸离子掺杂、复合碳材料等方法被广泛用来改善钛酸锂负极材料倍率性能。采用碳材料与纳米尺寸钛酸锂形成的复合材料,能够显著提升钛酸锂材料的倍率性能。具有优异导电性和独特二维纳米结构的石墨烯被认为是对Li4Ti5O12进行改性的理想材料。但是需要对Li4Ti5O12和石墨烯的复合方式进行精确调控,以最大程度提高复合电极材料中电子和离子的传输速率。本论文选择纳米...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池结构与工作原理示意图
1.3.1.2 软碳和硬碳软碳和硬碳由于较低的结晶度导致二者的片层不如石墨有序，如图1.2所示。软碳是指在 2500℃以下可以石墨化的无定形碳，属于易石墨化的碳。软碳材料耐过充、过放性能良好，对溶剂的相容性较好；但其电压滞后大，没有明显的充放电位曲线平台，对锂电位较高，电池的能量密度也较低。硬碳是难以石墨化的热解碳。与软碳相比，硬碳负极的平台较低，首次效率较高，能量密度也有所提升。图 1.2 石墨、软碳和硬碳的结构模型[7]Figure1.2 Graphite, soft carbon and hard carbon structure models1.3.1.3 碳纳米管碳纳米管是具有一维纳米结构的碳材料，其作为电极材料存在首次库伦效率低、循环稳定性差等问题[11]，难以直接作为锂离子电池的负极材料。然而在其一维中空的管状结构的内外原位生长其他活性材料，可以明显改善活性材料的导电性与稳定性
1.4.1 钛酸锂的结构与电化学反应机理钛酸锂（Li4Ti5O12）按晶形划分属于尖晶石结构，其空间群为 Fd3m，其结构示意图如图 1.4 所示[64]。在该晶体结构中，O2-占据 32e 位置，Li+占据 8a 位置的四面体间隙被，Li+和 Ti4+共同占据 16d 位置的八面体间隙。在嵌锂过程中，外界来的一个 Li+首先占据 16c 位置，三个原本处于 8a 位置的 Li+向 16c 位置进行迁移，形成嵌锂态的岩盐结构 Li7Ti5O12。嵌锂后，晶胞参数由 0.836nm 变成 0.837nm，其体积变化＜0.2%，因此钛酸锂又被成为“零应变材料”，这种微小的变化使钛酸锂材料在充放电过程中结构基本保持稳定。随着嵌锂的进一步深入，8a、8b 和 48f 位置也可以储存锂离子，Li7Ti5O12逐步转变为 Li9Ti5O12[19]，此时虽然容量有所增加，但是会破坏材料的结构，影响循环寿命[20]。充放电曲线显示，Li4Ti5O12存在一个大约 1.55V 的平稳充放电平台，这表明 Li+在 Li4Ti5O12中的嵌入与脱出是一个两相过程。同时，1.55V 的嵌锂电位也避免了与电解液的分解，具有非常好的安全性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池基础科学问题（Ⅷ）——负极材料[J]. 罗飞,褚赓,黄杰,孙洋,李泓. 储能科学与技术. 2014(02)
[2]炭材料在锂离子电池中的应用及前景[J]. 闻雷,宋仁升,石颖,李峰,成会明. 科学通报. 2013(31)
[3]锂离子电池的电化学阻抗谱分析[J]. 庄全超,徐守冬,邱祥云,崔永丽,方亮,孙世刚. 化学进展. 2010(06)
博士论文
[1]石墨烯/过渡金属氧化物复合材料制备及电化学性能研究[D]. 赵艳红.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3139630
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所)浙江省
【文章页数】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池结构与工作原理示意图
1.3.1.2 软碳和硬碳软碳和硬碳由于较低的结晶度导致二者的片层不如石墨有序，如图1.2所示。软碳是指在 2500℃以下可以石墨化的无定形碳，属于易石墨化的碳。软碳材料耐过充、过放性能良好，对溶剂的相容性较好；但其电压滞后大，没有明显的充放电位曲线平台，对锂电位较高，电池的能量密度也较低。硬碳是难以石墨化的热解碳。与软碳相比，硬碳负极的平台较低，首次效率较高，能量密度也有所提升。图 1.2 石墨、软碳和硬碳的结构模型[7]Figure1.2 Graphite, soft carbon and hard carbon structure models1.3.1.3 碳纳米管碳纳米管是具有一维纳米结构的碳材料，其作为电极材料存在首次库伦效率低、循环稳定性差等问题[11]，难以直接作为锂离子电池的负极材料。然而在其一维中空的管状结构的内外原位生长其他活性材料，可以明显改善活性材料的导电性与稳定性
1.4.1 钛酸锂的结构与电化学反应机理钛酸锂（Li4Ti5O12）按晶形划分属于尖晶石结构，其空间群为 Fd3m，其结构示意图如图 1.4 所示[64]。在该晶体结构中，O2-占据 32e 位置，Li+占据 8a 位置的四面体间隙被，Li+和 Ti4+共同占据 16d 位置的八面体间隙。在嵌锂过程中，外界来的一个 Li+首先占据 16c 位置，三个原本处于 8a 位置的 Li+向 16c 位置进行迁移，形成嵌锂态的岩盐结构 Li7Ti5O12。嵌锂后，晶胞参数由 0.836nm 变成 0.837nm，其体积变化＜0.2%，因此钛酸锂又被成为“零应变材料”，这种微小的变化使钛酸锂材料在充放电过程中结构基本保持稳定。随着嵌锂的进一步深入，8a、8b 和 48f 位置也可以储存锂离子，Li7Ti5O12逐步转变为 Li9Ti5O12[19]，此时虽然容量有所增加，但是会破坏材料的结构，影响循环寿命[20]。充放电曲线显示，Li4Ti5O12存在一个大约 1.55V 的平稳充放电平台，这表明 Li+在 Li4Ti5O12中的嵌入与脱出是一个两相过程。同时，1.55V 的嵌锂电位也避免了与电解液的分解，具有非常好的安全性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池基础科学问题（Ⅷ）——负极材料[J]. 罗飞,褚赓,黄杰,孙洋,李泓. 储能科学与技术. 2014(02)
[2]炭材料在锂离子电池中的应用及前景[J]. 闻雷,宋仁升,石颖,李峰,成会明. 科学通报. 2013(31)
[3]锂离子电池的电化学阻抗谱分析[J]. 庄全超,徐守冬,邱祥云,崔永丽,方亮,孙世刚. 化学进展. 2010(06)
博士论文
[1]石墨烯/过渡金属氧化物复合材料制备及电化学性能研究[D]. 赵艳红.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3139630
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3139630.html
