鈦酸鋰負(fù)極材料的合成與改性研究.pdf

1、尖晶石型 Li4Ti5O12負(fù)極材料因其優(yōu)良的安全特性、簡單的合成工藝、廉價的生產(chǎn)成本以及對自然環(huán)境無污染等特性，被譽為最具有應(yīng)用前景的鋰離子動力電池負(fù)極材料。然而其本征電子電導(dǎo)率僅為10-9 S/cm，屬于絕緣體，因而嚴(yán)重的影響其倍率性能，阻礙了工業(yè)化應(yīng)用的進程。本文以高溫固相法為基本的合成方法，探索了最優(yōu)合成工藝參數(shù)。然后，采用了一種新的濕化學(xué)法（反相微乳液法）合成了納米級 Li4Ti5O12負(fù)極材料，最后通過表面碳氮包覆和金屬銀包

2、覆的技術(shù)途徑制備了不同包覆體系的Li4Ti5O12復(fù)合材料，提高其電導(dǎo)率以及倍率性能。
　　以分析純的Li2CO3和TiO2為原材料，采用傳統(tǒng)的高溫固相法合成了具有理想尖晶石結(jié)構(gòu)的 Li4Ti5O12負(fù)極材料?？疾炝朔磻?yīng)溫度與鋰源過量兩個重要的工藝參數(shù)對最終產(chǎn)物的純度以及電化學(xué)性能的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明，700℃下合成的樣品含有少量雜質(zhì)，而750℃和800℃下合成的各樣品為單相尖晶石型Li4Ti5O12。750℃和800℃下合成

3、的各樣品均表現(xiàn)出了優(yōu)秀的電化學(xué)性能，且鋰源過4％的樣品表現(xiàn)出了最優(yōu)電化學(xué)性能。因此，最佳的合成工藝條件為750-800℃，鋰源過量4%，這為進一步合成與改性鈦酸鋰負(fù)極材料打下了堅實的基礎(chǔ)。
　　本文采用正交實驗方法，研究了CTAB、水、鈦酸丁酯、乙酰丙酮四個水平因素對水化產(chǎn)物的影響規(guī)律，并得到了最優(yōu)的反相微乳液體系，即2g CTAB、1ml水、1ml鈦酸丁酯、6ml乙酰丙酮、2.4ml正丁醇和11ml環(huán)己烷，并合成了納米級的TiO

4、2前軀體。通過引入少量碳納米管，結(jié)合高溫固相燒結(jié)法，合成了含有少量雜相TiO2的LTO/X/C/CNTs復(fù)合材料。通過SEM結(jié)果表明，在具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳納米管表面上吸附了一層納米LTO顆粒，且這些碳包覆的一次顆粒的粒徑分布在20-50nm。0.15C時，首周放電比容高達224 mAh/g。當(dāng)電流密度提升至24C時，其容量仍然保持為90 mAh/g。循環(huán)壽命曲線表明，在12C倍率下，充放電800次，其比容量保持在105.9 mAh/g，容

5、量保持率為85.6%。以上結(jié)果表明，采用反相微乳液合成了 LTO/X/C/CNTs復(fù)合材料具有優(yōu)良的倍率性能以及循環(huán)性能等電化學(xué)特性。
　　本文還研究了氮摻雜碳包覆對 Li4Ti5O12負(fù)極材料性能的影響。分別以蔗糖和氨水作為分離的碳和氮源，并設(shè)計了兩條合成工藝路線（Solid-state processⅠ和Solid-state processⅡ），結(jié)合固相燒結(jié)法制備了氮摻雜碳包覆的 LTO/C20/N和LTO/N/C20復(fù)合材

6、料。通過TEM以及HRTEM表明，碳包覆LTO/C20/N負(fù)極料表面包覆了一層具有齒狀結(jié)構(gòu)的碳包覆層，且碳包覆層的厚度不超過5nm。LTO/N/C20復(fù)合材料表面形成了一層致密而均勻的碳包覆層，其厚度約為4nm。通過倍率性能曲線可知，表面修飾后的LTO/C20/N和LTO/N/C20復(fù)合材料在24C時的比容量分別為110和100 mAh/g，表明改性后的材料具有極好的倍率性能。由充放電曲線表明，包覆后的樣品的電化學(xué)極化明顯減?。ǔ潆娖脚_

7、電位-放電平臺電位）。由CV測試結(jié)果表明，包覆后樣品的表觀鋰離子擴散系數(shù)比未包覆樣品小。因此，本文推斷LTO負(fù)極材料的倍率性能與電子、鋰離子均有關(guān)系，兩者之間存在著競爭平衡的關(guān)系。
　　本文也初步嘗試了采用銀鏡反應(yīng)制備金屬銀包覆的LTO/Ag復(fù)合材料，通過充放電曲線的倍率循環(huán)圖可知，包覆了一層金屬Ag可以提高LTO材料的倍率性能。然而即使將金屬 Ag的包覆含量提高到13.7%，表層銀顆粒仍然不能在 Li4Ti5O12顆粒表面形成連