Li-,4-Ti-,5-O-,12-電極材料的二步煅燒固相反應(yīng)法合成及炭包覆改性研究.pdf

1、鋰離子電池具有高能量密度、高工作電壓、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，有望成為電動汽車的主要動力來源之一。尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰（Li4Ti5O12）是一種“零應(yīng)變”材料，理論嵌鋰電位為1.55V（vs.Li+/Li），理論比容量為175 mAh·g-1，充放電過程中體積結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生變化，具有充放電性能好、循環(huán)性能優(yōu)良、充放電電壓平臺穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。同時鈦資源豐富、價(jià)格低廉。這些優(yōu)點(diǎn)使其成為鋰離子電池極具發(fā)展前景的電極材料，有著巨大的研究價(jià)值和商業(yè)應(yīng)用價(jià)值

2、。本文從有利于推進(jìn)Li4Ti5O12實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，針對鈦酸鋰材料電子導(dǎo)電率低，傳統(tǒng)固相法燒結(jié)能耗高、純度低的問題，以TiO2和Li2CO3為原料采用二步煅燒固相反應(yīng)法合成了純相Li4Ti5O12，并以糖類為炭源導(dǎo)電前驅(qū)體對Li4Ti5O12進(jìn)行炭包覆改性，獲得了Li4Ti5O12/C復(fù)合材料，改善了材料的導(dǎo)電性能，提高了材料的大電流充放電倍率性能，不僅豐富了Li4Ti5O12材料的研究內(nèi)涵，而且促進(jìn)了Li4Ti5O12材料在鋰離子動力電

3、池中的實(shí)際的應(yīng)用。主要研究內(nèi)容如下： ⑴研究二步煅燒固相反應(yīng)法合成Li4Ti5O12的煅燒制度。結(jié)果表明，以Li2CO3與TiO2為合成原料，當(dāng)鋰過量3％時，原料經(jīng)650℃二步煅燒8h再于800℃保溫6h的二步煅燒制度能得到純相的尖晶石結(jié)構(gòu)Li4Ti5O12，首次放電比容量為168.7mAh·g-1，0.5C充放電循環(huán)首次放電比容量為120.6mAh·g-1.1C循環(huán)首次放電比容量為80.6mAh·g-1，相對于一步煅燒的含雜質(zhì)

4、相產(chǎn)物，倍率性能明顯提高。 ⑵以葡萄糖為炭源對二步固相法合成的Li4Ti5O12產(chǎn)物進(jìn)行炭改性研究。研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)靥岣咛亢颗c延長炭化時間都有利于倍率性能的改善。Li4Ti5O12/C復(fù)合材料目標(biāo)炭含量為2％在Li4Ti5O12摻雜葡萄糖，N2中800℃炭化4h所得產(chǎn)物電化學(xué)性能較優(yōu)，1C循環(huán)容量保持率比未改性樣品提高近40％。在確定較優(yōu)炭含量和熱處理時間等改性工藝條件的基礎(chǔ)上，研究了葡萄糖、蔗糖、淀粉三種不同炭源對Lo4

5、Ti5O12/C復(fù)合材料電化學(xué)性能的影響。分析結(jié)果表明，以淀粉為導(dǎo)電前驅(qū)體對Li4Ti5O12倍率性能的改善效果較優(yōu)，蔗糖次之，葡萄糖的改性效果相對較差。其中以淀粉為炭源得到的Li4Ti5O12/C復(fù)合材料首次放電比容量為159mAh·g-1，2C循環(huán)時首次放電比容量為125mAh·g-1。 ⑶研究中間相球磨炭包覆Li4Ti5O12改性。原料經(jīng)650℃二步煅燒后得到中間相，加入葡萄糖、蔗糖、淀粉等炭源與中間相球磨混合，然后再經(jīng)8

6、00℃高溫處理，合成Li4Ti5O12/C復(fù)合材料。XRD衍射結(jié)果分析表明Li4Ti5O12/C復(fù)合材料中Li4Ti5O12純度高，解決了原料中加入碳源合成Li4Ti5O12/C復(fù)合材料反應(yīng)不完全雜質(zhì)相種類多含量高的問題。電化學(xué)性能檢測顯示以淀粉為導(dǎo)電前驅(qū)體Li4Ti5O12倍率性能改善效果最好，首次放電比容量為162 mAh·g-1.1C循環(huán)首次放電比容量為146.5 mAh·g-1，容量保持率約為未改性Li4Ti5O12的2倍，2C