钛酸锂负极材料的制备、结构及电化学性能

发布时间：2017-07-27 06:08

  本文关键词：钛酸锂负极材料的制备、结构及电化学性能

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【摘要】：锂离子二次电池具有较高的能量密度,使其成为最有前景的动力电池,并应用于电动汽车、混合动力汽车及其他便携式储能设备。对于锂离子电池的发展,提高负极材料的安全性和电化学性能成为了重要的挑战。Li_4Ti_5O_(12)具有优异的结构稳定性、适中的电势(1.5V vs.Li/Li+)以及出色的循环性能,被认为是最具有希望替代商业石墨负极的材料。然而Li_4Ti_5O_(12)本身同时也具有明显的缺点,它的导电性比较差(10-13 S·cm-1),这就制约了钛酸锂在大倍率下的性能。本文依据第一性原理的计算,对尖晶石Li_4Ti_5O_(12)的热力学稳定性、电子结构、嵌锂动力学以及表面形态进行了详细的研究。同时实验方面分别采用了固相法和溶剂热法合成了纯相的Li_4Ti_5O_(12),并且研究了合成条件对产物的影响。固相法中以B-Ti O2的前驱体为Ti源的样品LTO-S-4棒状Li_4Ti_5O_(12)的倍率性能相对最高,10C下充放电比容量能够达到189.1mAh·g-1。溶剂热法中以乙醇为溶剂的样品LTO-L-1的性能相对最好,0.5C下的循环比容量达到220mAh·g-1。对NaLiTi_3O_7和Li_4Ti_5O_(12)的锂离子迁移势垒和扩散系数的计算,表明NaLiTi_3O_7可以为Li_4Ti_5O_(12)提供锂离子的高速通道并优化Li_4Ti_5O_(12)的晶体结构,从而提高电化学性能。采用溶剂热法成功的合成出Li_4Ti_5O_(12)-NaLiTi_3O_7复合材料,相比纯相Li_4Ti_5O_(12),Li_4Ti_5O_(12)-NaLiTi_3O_7复合材料的电化学性能有了显著的提高。在10C的大倍率下,复合材料的比容量可以达到218mAh·g-1,相对于0.5C时272mAh·g-1的比容量,容量保持率80%以上。
【关键词】：锂离子电池 负极材料 钛酸锂 密度泛函理论 改性研究
【学位授予单位】：黑龙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ131.11;TM912
【目录】：

• 中文摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-27
• 1.1 引言10-11
• 1.2 锂离子电池概述11-15
• 1.2.1 锂离子电池的发展11-12
• 1.2.2 锂离子电池的工作原理12-13
• 1.2.3 锂离子电池的结构13-15
• 1.3 锂离子电池的负极材料15-18
• 1.3.1 碳负极材料15-16
• 1.3.2 金属氧化物负极材料16
• 1.3.3 Si基化合物负极材料16-17
• 1.3.4 Sn基化合物负极材料17
• 1.3.5 Ti基化合物负极材料17-18
• 1.4 Li_4Ti_5O_(12)的研究进展18-25
• 1.4.1 Li_4Ti_5O_(12)的结构及反应机理18-20
• 1.4.2 Li_4Ti_5O_(12)的的制备方法20-22
• 1.4.3 Li_4Ti_5O_(12)的改性研究22-25
• 1.5 课题的选题依据及目的意义25-27
• 第2章 理论计算方法及实验材料与表征27-35
• 2.1 理论计算方法27-31
• 2.1.1 计算软件应用27
• 2.1.2 计算参数设置27-29
• 2.1.3 热力学稳定性29-30
• 2.1.4 表面热力学稳定性30-31
• 2.2 实验材料与表征方法31-34
• 2.2.1 实验试剂31-32
• 2.2.2 实验仪器32
• 2.2.3 材料的表征方法32-34
• 2.2.4 电化学测试技术34
• 2.3 电池的组装34-35
• 第3章 钛酸锂的电子结构及电化学性质的理论研究35-58
• 3.1 理论模型35-37
• 3.2 Li_4Ti_5O_(12)的电子结构及热力学稳定性37-46
• 3.2.1 热力学稳定性37-43
• 3.2.2 Li_4Ti_5O_(12)的电子结构43-46
• 3.3 表面热力学稳定性46-54
• 3.4 Li_4Ti_5O_(12)-NaLiTi_3O_7锂离子迁移动力学54-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第4章 Li_4Ti_5O_(12)的合成及其电化学性能研究58-74
• 4.1 引言58
• 4.2 固相法合成Li_4Ti_5O_(12)58-67
• 4.2.1 合成方法58-60
• 4.2.2 样品的结构与形貌分析60-62
• 4.2.3 Li_4Ti_5O_(12)的电化学测试分析62-67
• 4.3 溶剂热法合成Li_4Ti_5O_(12)67-73
• 4.3.1 合成方法67
• 4.3.2 样品的结构与形貌分析67-69
• 4.3.3 Li_4Ti_5O_(12)的电化学测试分析69-73
• 4.4 本章小结73-74
• 第5章 Li_4Ti_5O_(12)-NaLiTi_3O_7复合材料的合成及改性研究74-82
• 5.1 引言74
• 5.2 实验部分74-75
• 5.3 材料的形貌和结构表征75-78
• 5.3.1 XRD分析75
• 5.3.2 电镜分析75-77
• 5.3.3 Raman分析77
• 5.3.4 元素分析77-78
• 5.4 材料的电化学测试分析78-81
• 5.5 本章小结81-82
• 结论82-84
• 参考文献84-92
• 致谢92-93
• 攻读学位期间发表的学术论文93

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