鋰離子電池負極材料Li2ZnTi3O8的制備及其電化學性能研究.pdf

1、鋰離子電池 Li2ZnTi3O8負極材料具有理論容量高、放電平臺電壓低、環(huán)境友好等優(yōu)點使其在便攜式電子設(shè)備及動力能源方面有著顯著的優(yōu)勢。但由于電子導(dǎo)電率較低，導(dǎo)致其大倍率電化學性能較差。在綜合分析現(xiàn)有文獻的基礎(chǔ)上，本論文分別選擇高溫固相法、熔融鹽法和溶膠-凝膠法制備了Li2ZnTi3O8。為了提高電子導(dǎo)電率及改善大倍率電化學性能，分別采用金屬離子摻雜和表面包覆對其進行改性，通過XRD、SEM、TEM、N2吸附、粒徑分布、拉曼光譜等物理表

2、征手段探究了Li2ZnTi3O8及改性Li2ZnTi3O8的結(jié)構(gòu)、微觀形貌、比表面積、顆粒尺寸等物理性質(zhì)，同時考查了電化學性能。此外，首次采用水溶性生物型粘結(jié)劑殼寡糖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PVDF粘結(jié)劑應(yīng)用于鋰離子電池中，對比了使用兩者粘結(jié)劑對Li2ZnTi3O8活性材料的恒流充放電容量和長循環(huán)電化學性能的改善程度。再者，組裝新的全電池 LiNi0.5Mn1.5O4||Li2ZnTi3O8，測試了不同充放電倍率的充放電容量以及循環(huán)性能。本論文主要研

3、究內(nèi)容及結(jié)論概括如下：
　　（1）以TiO2、Zn(CH3COO)2·2H2O、Li2CO3分別作為鈦源、鋅源、鋰源，采用高能球磨輔助高溫固相法在800℃煅燒得到立方尖晶石型Li2ZnTi3O8。摻雜Ag+和Al3+得到了各項性能優(yōu)異的Li2ZnAg0.15Ti2.85O8和Li2ZnTi2.9Al0.1O8負極材料，電化學性能得到了明顯的提升。在 Li2ZnTi3O8顆粒外表面包覆一納米層無定形碳或鋰離子正極材料LiCoO2提高

4、了其電子導(dǎo)電率，改善了高倍率充放電容量及循環(huán)性能；
　?。?）首次通過熔融鹽法和優(yōu)化的溶膠-凝膠法制備出電化學性能優(yōu)越的Li2ZnTi3O8納米顆粒。熔融鹽法中，以Li2CO3、TiO2、Zn(CH3COO)2·2H2O為原料，混合熔融鹽KCl與NaCl比例為1:1時電化學性能最佳，其在電流密度1.0、2.0、3.0 A g-1時，循環(huán)100次后的放電容量分別為158.9、126.1、57.2 mAh g-1，同時呈現(xiàn)出很好的循環(huán)

5、穩(wěn)定性。溶膠-凝膠制備方法選擇 C16H36O4Ti、Li2CO3、Zn(CH3COO)2·2H2O為原料，檸檬酸為螯合劑，當檸檬酸:總金屬離子=1:1，經(jīng)高溫煅燒制備的Li2ZnTi3O8納米顆粒分布均勻，無明顯團聚現(xiàn)象，且存在較多堆積孔，可增加與電解液接觸面積，有利于大倍率下Li+的快速脫嵌。在1.0 A g-1和2.0 A g-1倍率下分別可達到207.4 mAh g-1和188.9 mAh g-1，循環(huán)100圈后容量衰減4.7％

6、和14.7%；
　?。?）采用全新的水溶性生物粘結(jié)劑殼寡糖代替?zhèn)鹘y(tǒng)粘結(jié)劑 PVDF，所制備的電極具有優(yōu)異的電化學性能，其在0.5 A g-1和2.0 A g-1倍率下充放電100次后放電容量可達199.3 mAh g-1和93.7 mAh g-1；在1.0 A g-1倍率下1000次充放電循環(huán)后，選擇殼寡糖作為粘結(jié)劑的電池放電容量為66.1 mAh g-1，高于PVDF的37.9 mAh g-1，且循環(huán)穩(wěn)定性提高。殼寡糖和去離子水

7、粘結(jié)劑系統(tǒng)比傳統(tǒng)PVDF和NMP粘結(jié)劑系統(tǒng)電化學性能優(yōu)越的原因在于殼寡糖分子中存在的-OH可將活性物質(zhì)牢牢的粘在銅集流體上，防止極片在往復(fù)脫嵌Li+過程中發(fā)生剝離或褶皺；此外，殼寡糖吸附電解液的膨脹率較低也是改善電化學性能的一個優(yōu)點；
　?。?）裝配新的全電池 LiNi0.5Mn1.5O4||Li2ZnTi3O8，其在充電電流密度分別為0.2、0.5、1.0 A g?1，放電電流密度均為2.0 A g?1時，50次循環(huán)后放電容量分