溶胶—凝胶法制备锂离子电池负极材料Li4Ti5O12及其改性研究

作     者：唐盛贺 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李大光

授予年度：2013年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：锂离子电池 负极材料 Li4Ti5O12 溶胶-凝胶法 掺杂 

摘      要：尖晶石型Li4Ti5O12是一种“零应变电极材料,具有安全性能高、循环性能优越、充放电平台稳定、成本低廉、环境友好等诸多优点,被认为是最具应用前景的锂离子电池新型负极材料之一。但是Li4Ti5O12材料的高倍率性能较差、振实密度较低,影响了其实际应用性能,制约了其商业化应用。本文综述了锂离子电池及其负极材料的研究进展,详细介绍了尖晶石型Li4Ti5O12的结构、性能、制备方法及改性研究。采用溶胶-凝胶法合成了亚微米级和球形的Li4Ti5O12材料,并对其进行掺杂钒的改性研究。利用TG-DSC、XRD、SEM、恒流充放电以及循环伏安等测试手段,对合成材料进行了结构表征和电化学性能测试。 本文以己二酸为络合剂,采用溶胶-凝胶法合成了亚微米级的Li4Ti5O12材料,系统地考察了热处理温度、热处理时间、己二酸量等工艺条件对材料结构和电化学性能的影响。结果表明,前驱体中己二酸与Ti（Ⅳ）离子的摩尔比为0.50时,在800℃下热处理12h所得样品具有较佳的结构和电化学性能。该样品为立方尖晶石Li4Ti5O12纯相,颗粒细小均匀（150～300nm）,基本无团聚,且表现出良好的电化学性能。0.1C充放电时,其首次放电比容量为169.59mAh/g,经过30次充放电循环后,其放电比容量仍保持在158.17mAh/g,容量保持率达93.4%。 为了提高Li4Ti5O12材料的振实密度,本文以CTAB为结构导向剂,采用溶胶-凝胶法合成了高密度的球形Li4Ti5O12材料,并对材料的结构、形貌以及电化学性能进行了 一定的研究。结果表明,在800℃热处理12h所得样品为立方尖晶石Li4Ti5O12单一物相,颗粒基本呈球形、流动性较好,粒度分布均匀,并显示出良好的电化学性能。0.1C充放电时,其首次放电比容量为160.25mAh/g,经过30次充放电循环后,其放电比容量保持在146.52mAh/g。 在第一部分研究的基础上,采用己二酸溶胶-凝胶法合成了Li4Ti5-xVxO12（0x0.2）样品,研究不同钒掺杂量对材料结构和电化学性能的影响,着重研究了最佳掺杂量时所得样品的电化学性能。结果表明,少量钒掺杂几乎不影响Li4Ti5O12材料的基本晶格结构和形貌特征,而且V5+掺入Li4Ti5O12晶格中提高了材料的电子导电率,从而提高了材料的可逆容量和循环性能。该法制备的Li4Ti4.95V0.05O12样品具有较佳的电化学性能,0.5C充放电时,其首次放电比容量为155.76mAh/g,经过30次充放电循环后,其放电比容量仍保持在151.26mAh/g。