鋰離子電池負極材料鈦酸鋰的改性及其電化學性能研究.pdf

1、鋰離子電池具有省油和降低廢氣排放的潛力，近幾年來，鋰離子電池廣泛應用于電動車和混合電動車。然而，采用碳材料或石墨為負極材料的商業(yè)用鋰離子電池，長久以來一直存在著潛在的安全隱患。傳統(tǒng)的碳材料在嵌鋰終端電壓幾乎接近于0V，因此在快充或過充的過程中，鋰枝晶生成并沉積在碳材料表面，其易引起電池內(nèi)部短路和電池爆炸。為解決現(xiàn)代鋰離子電池技術的這一局限，有必要開發(fā)一種具有較高嵌鋰電勢的負極材料。
　　尖晶石型鈦酸鋰已成為鋰離子電池應用中極具前景

2、的負極材料。與傳統(tǒng)的商業(yè)化碳負極材料相比，鈦酸鋰具有較高的嵌鋰電勢，相對于金屬鋰而言，其工作電壓約為1.55V，能夠阻止電極表面電解液被還原。而且，作為零應變嵌鋰材料，鈦酸鋰在充放電過程中具有優(yōu)越的可逆性，結(jié)構穩(wěn)定性和卓越的鋰離子遷移率。因此，鈦酸鋰具有較好的循環(huán)性能和安全性能。盡管鈦酸鋰具有上述諸多優(yōu)點，但是鈦酸鋰的電子電導率很低，限制了其商業(yè)應用。
　　本文主要從兩個方面提高鈦酸鋰的電子電導率，一是采用水溶性高分子作碳源對純鈦

3、酸鋰進行碳包覆，二是采用金屬離子對純鈦酸鋰進行Li位或Ti位摻雜。主要的研究結(jié)果如下:
　　1.利用水溶性高分子-聚乙烯醇(PVA)為碳源，采用高溫固相法對鈦酸鋰進行碳包覆，制備了Li4Ti5O12/C復合材料。XRD數(shù)據(jù)表明，PVA的加入縮小了Li4Ti5O12的晶胞參數(shù)，而且并沒有影響Li4Ti5O12晶體的主體結(jié)構。SEM圖像表明，加入PVA的鈦酸鋰經(jīng)高溫燒結(jié)后，具有光滑的球形表面，粒子小且粒徑分布窄。0.5C倍率下，復合物

4、的初始放電容量為141 mAh/g，120個循環(huán)后，容量為104.9 mAh/g，容量衰減大，降低25.6％。
　　2.采用水溶性聚合物-聚乙二醇(PEG)作為有機碳源，高溫固相反應條件下對純鈦酸鋰進行碳包覆，制備了Li4Ti5O12/C復合材料。XRD數(shù)據(jù)表明，PEG的加入縮小了Li4Ti5O12的晶胞參數(shù)，且并沒有影響Li4Ti5O12的主體晶體結(jié)構。SEM圖像表明，PEG的加入并沒有改變鈦酸鋰的形貌，平均粒徑在400nm左右

5、，且粒徑分布較寬。2C倍率下，復合物的初始放電容量為128.2 mAh/g，450個循環(huán)后，容量為95.3 mAh/g，容量衰減大，降低25.7％。1C倍率下，復合物的初始放電容量為136mAh/g，70個循環(huán)后，容量為125.1 mAh/g，下降8％左右。
　　3.利用軟化學法-溶膠凝膠法對鈦酸鋰在Li位進行Al3+摻雜的復合材料Li3.9Al0.1Ti5O12。SEM圖像表明，經(jīng)過高溫煅燒后，粒子易團聚。Li3.9Al0.1T

6、i5O12的XRD中并未出現(xiàn)雜峰，與標準譜圖(No.26-1198)一致。
　　4.對鈦酸鋰在Ti位進行V5+摻雜，高溫固相反應條件下合成復合化合物Li4Ti4.9V0.1O12。經(jīng)Jade5對所得XRD數(shù)據(jù)計算表明，V5+的加入縮小了Li4Ti5O12的晶胞參數(shù)，且沒有影響Li4Ti5O12的主體晶體結(jié)構。SEM圖像分析表明，摻雜V5+后，粒徑減小，在330nm以下。摻入V5+后的鈦酸鋰在電化學性能上有很大的改善，高倍率下容量大