Li 4 Ti5O 12 /C材料复合改性及电化学性能评价

发布时间：2023-02-12 16:29

　　可充电锂离子电池(LIB)具有较高的能量密度和较长的使用寿命,被认为是一种很有发展前景的能量存储和转换器件,可应用于电动汽车(EV)和智能电网。但是,由于能量密度和安全特性的限制,石墨作为LIB负极材料很难使其具备更大容量,难以大规模应用。尖晶石结构钛酸锂(Li4Ti5O12,LTO)因其优异的安全特性和较长的使用寿命而被认为是最有可能代替石墨负极,最有前途的一种。与石墨负极在充电过程中会膨胀10 vol%不同,尖晶石结构的LTO在充电和放电过程中体积变化可以忽略不计,保证了高循环稳定性和长使用寿命。另外LTO具有平坦的充放电平台(1.55 V vs.Li/Li+),极大地增强了其安全性。然而LTO的电子电导率相对较低,导致较大的极化损耗,使得其倍率性能较差。而且LTO的理论容量只有175 mAh·g-1,较石墨负极材料的理论容量相对较低。本文从改善LTO电子导电率和提高比容量两方面入手,重点对LTO进行了改性研究。本文以多羟基的棉花纤维为碳源,利用羟基的亲水性发生络合作用和其在溶液中带负电能吸附金属阳离子的特点,将金属离子吸附在纤维分子基体表面,并通过高温锻烧,使棉花纤维碳化分布在钛...

【文章页数】：111 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
主要符号表
1 绪论
    1.1 锂离子电池的概述
        1.1.1 锂离子电池的发展历程
        1.1.2 锂离子电池的结构及工作原理
        1.1.3 锂离子电池负极材料
    1.2 钛酸锂负极材料及改性
        1.2.1 钛酸锂的结构
        1.2.2 钛酸锂的制备
        1.2.3 钛酸锂的改性
    1.3 钛酸锂表面碳复合改性的研究现状及问题
        1.3.1 钛酸锂表面碳复合改性的研究现状
        1.3.2 钛酸锂表面碳复合改性面临的问题
    1.4 研究目的及意义
    1.5 论文主要研究内容
2 实验材料及方法
    2.1 实验材料及仪器设备
        2.1.1 实验材料和化学试剂
        2.1.2 实验设备和仪器
    2.2 材料的制备
        2.2.1 球磨辅助高温固相反应法制备LTO/C复合材料
        2.2.2 球磨辅助高温固相反应法制备离子掺杂LTO复合材料
        2.2.3 球磨辅助高温固相反应法制备离子掺杂改性LTO/C复合材料
        2.2.4 SiO_x-LTO/C共混复合材料的制备
        2.2.5 湿化学法制备SiO_x/LTO/C复合材料
    2.3 电池的组装
    2.4 电极材料的性能测试
        2.4.1 X射线衍射(XRD)分析
        2.4.2 扫描电子显微镜(SEM)测试
        2.4.3 X射线光电子能谱(XPS)分析
        2.4.4 拉曼光谱(Raman)测试
        2.4.5 傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试
        2.4.6 透射电子显微镜(TEM)分析
        2.4.7 热失重分析(TGA)测试
        2.4.8 氮气吸附(BET)实验
        2.4.9 电化学性能测试
3 棉花纤维羟基结构对碳层的影响及电化学性能评价
    3.1 引言
    3.2 棉花纤维的形貌与结构
    3.3 棉花纤维制备LTO/C复合材料的形貌与结构
        3.3.1 棉花纤维制备LTO/C复合材料前驱体的形貌
        3.3.2 棉花纤维制备LTO/C复合材料的形貌及结构分析
    3.4 LTO/C复合材料电化学性能的评价
        3.4.1 LTO/C复合材料的倍率及循环性能
        3.4.2 LTO/C复合材料的脱嵌锂反应活性
        3.4.3 LTO/C复合材料的内阻及离子扩散的影响
    3.5 棉花纤维羟基结构对碳层的形成机理
    3.6 本章小结
4 离子掺杂对LTO/C的改性及电化学性能评价
    4.1 引言
    4.2 Mg²⁺掺杂对LTO/C结构及形貌的影响
        4.2.1 Mg²⁺掺杂量对钛酸锂结构及形貌的影响
        4.2.2 Mg²⁺掺杂LTO/C复合材料的形貌及结构表征
    4.3 Mg²⁺掺杂对LTO/C复合材料电化学性能评价
        4.3.1 Mg²⁺掺杂LTO/C复合材料的倍率及循环性能
        4.3.2 Mg²⁺掺杂LTO/C复合材料的脱嵌锂反应活性
        4.3.3 Mg²⁺掺杂对LTO/C复合材料的内阻及离子扩散的影响
    4.4 Mg²⁺/Al³⁺共掺杂对钛酸锂性能的评价
        4.4.1 Mg²⁺/Al³⁺共掺钛酸锂的形貌及结构表征
        4.4.2 Mg²⁺/Al³⁺共掺钛酸锂的倍率及循环性能
        4.4.3 Mg²⁺/Al³⁺共掺钛酸锂的脱嵌锂反应活性
        4.4.4 Mg²⁺/Al³⁺共掺对钛酸锂内阻及离子扩散的影响
    4.5 离子掺杂对钛酸锂结构及电化学性能的影响机制
    4.6 本章小结
5 SiO_x对LTO/C复合材料结构的影响及电化学性能评价
    5.1 引言
    5.2 LTO/C复合材料在低电位下嵌锂机制探讨
        5.2.1 LTO/C复合材料在低电位下的电化学性能
        5.2.2 LTO/C复合材料的嵌锂机制
    5.3 SiO_x-LTO/C共混复合材料的结构及电化学性能评价
        5.3.1 SiO_x的结构表征
        5.3.2 SiO_x-LTO/C共混复合材料的结构表征
        5.3.3 SiO_x-LTO/C共混复合材料的倍率性能
        5.3.4 SiO_x-LTO/C共混复合材料的失效机制
        5.3.5 SiO_x-LTO/C共混复合材料的循环性能
        5.3.6 SiO_x-LTO/C共混复合材料的脱嵌锂反应活性
    5.4 SiO_x/LTO/C复合材料的结构及电化学性能评价
        5.4.1 SiO_x/LTO/C复合材料的形貌及结构表征
        5.4.2 SiO_x/LTO/C复合材料的倍率及循环性能
        5.4.3 SiO_x/LTO/C复合材料的脱嵌锂反应活性
        5.4.4 SiO_x/LTO/C复合材料的内阻及离子扩散
    5.5 本章小结
6 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 创新点
    6.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介



本文编号：3741433