水（溶剂）热法制备Li_4Ti_5O_（12）及其改性研究

【摘要】由于尖晶石钛酸锂具有结构稳定性好、安全可靠性高、抗过充性能优、循环寿命长和原料来源丰富等众多优点,它将成为新一代锂离子储能电池的负极材料而被广泛应用于电动汽车、混合动力汽车和要求高安全性、高稳定性和长周期的大型储能应用领域。但是目前钛酸锂的商业化大规模推广应用仍然存在受限因素,原因在于Li4Ti5012的离子和电子电导率较低造成高倍率性能较差,并且Li4Ti5012的振实密度也较低,导致其体积比能量低,这些缺点严重阻碍了钛酸锂的应用。所以如何提高Li4Ti5O12材料的电化学性能已成为当前研究者的主要研究热点。通常制备方法对材料最终性能起着关键作用,本文采用两种水(溶剂)热法工艺制备了Li4Ti5O12锂离子电池负极材料,并通过表面修饰金属Ag对材料进行了改性研究。利用XKD、SEM、FTIR、Raman等测试表征了样品的晶体结构和形貌分布,结合恒流充放电、CV和EIS测试对样品的电化学性能进行分析。第一种工艺方法是采用半水溶剂热法一步合成了Li4Ti5Ol2纳米颗粒,以钛酸丁酯、LiOH·H2O作为钛源和锂源,考察了不同溶剂对电化学性能的影响,经比较发现,三甲胺-水体系下合成出的样品性能最佳。此外,在该溶剂体系下,考察了反应温度、反应时间以及溶液酸碱度对材料性能的影响,得知在三甲胺-水微碱性体系下,220℃反应24h后产物经700℃热处理2h制备的样品具备最佳的电化学性能。样品呈现颗粒状,在0.1C、0.5C、1C和10C下的首次放电容量分别为173.58mAh·g-1、148.77mAh·g-1、138.35mAh·g-1和102.82mAh·g-1,在各倍率下循环20次容量保持率分别可达97.32%、95.84%、91.60%、87.20%。第二种工艺是通过溶剂热法两步合成了Li4Ti5O12纳米微球。以钛酸丁酯、乙二醇、丙酮为原料,首先利用溶胶-凝胶法制得球形前躯体,然后将该前躯体与一定量的LiOH-H2O混合,采用溶剂热法合成了纳米微球形Li4Ti5O12。研究发现,制备前驱体钛酸丁酯的合适用量为2mL(V钛酸丁酯：V乙二醇=1：25),所制得前驱体为形貌完好的球形乙二醇钛(TG),优化反应温度后发现,在180℃下反应12h即可获得粒径在500～800nm的规则球形Li4Ti5O12样品。该样品具有最佳的充放电性能和循环性能,在0.1C、0.5C、1C、5C和10C时,材料的首次放电容量分别可达17421mAh·g-1,167.62mAh·g-1,157.05mAh·g-1,136.58mAh·g-1和116.05mAh-g-1.循环30次后,样品在各倍率下的容量保持率分别达到99.03%,98.16%,97.14%,96.18%和94.73%。在第二种制备工艺的基础上,采用溶剂热法,制备出了球形Li4Ti5O12/Ag复合材料,研究了不同Ag包覆量对材料性能的影响。结果表明含Ag量为5wt.%时的Li4Ti5Oi2/Ag复合材料,其倍率性能和循环性能相对最佳,在0.5C、1C、5C和10C时首次放电比容量可达186.34mAh·g、172.47mAh·g-1136.06mAh·g-1在高倍率10C下循环30次,样品容量保持率仍可达到96.14%。
【作者】陶熏；
【导师】李军；
【作者基本信息】广东工业大学，化学工程（专业学位），2014，硕士
【关键词】锂离子电池；Li4Ti5O12；水(溶剂)热法；Li4Ti5O12/Ag；

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