锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的制备及改性研究

• 作 者: 于小林
• 出 处: 吉首大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 锂离子电池 负极材料 钛酸锂 离子掺杂 电化学性能

尖晶石Li₄Ti₅O₁₂作为锂离子电池负极材料具有电压平台高、结构稳定、循环性能好、安全性高等一系列优势。但Li₄Ti₅O₁₂自身存在着电子导电率低、锂离子扩散系数小,导致其高倍率性能差,阻碍了Li₄Ti₅O₁₂的应用。本论文针对Li₄Ti₅O₁₂存在的不足,对其进行纳米化、掺杂、包覆等改性研究,以期制备出倍率性能和循环性能良好的Li₄Ti₅O₁₂负极材料。本文将从以下几个方面进行研究:1.采用固相法合成Li₄Ti₅O₁₂,通过考察不同煅烧温度和煅烧方式等因素对材料的结构、表面形貌及电化学性能的影响。从而得出最佳的合成条件为,将原料Li₂CO₃和TiO₂根据摩尔比n（Li）:n（Ti）=0.84:1.00称取,在500℃中预烧4 h,然后再到750℃下煅烧16 h,分两步煅烧合成出的材料电化学性能最佳。2.以葡萄糖为碳源,采用原位复合法制备不同碳质量分数的锂离子电池复合负极材料Li₄Ti₅O₁₂-C,通过一系列的检测手段对制备出的材料进行了结构、形貌及电化学性能分析。结果表明,合成的Li₄Ti₅O₁₂-C复合材料均无杂相,颗粒均匀,分散性较好。碳质量分数为3%的复合材料具有最佳的电化学性能,在0.5 C下,其首次放电比容量为185.9 mAh/g,循环50次后,放电比容量高达161.5mAh/g,在高倍率4.0 C下,其首次放电比容量仍为106.9 mAh/g。3.在上述（1）最佳条件下,选用Co³⁺、Cl^-为掺杂元素,通过固相法制备出掺杂Li₄Ti_5-xCo_xO₁₂（x=0,0.05,0.1,0.3）和Li₄Ti₅O_12-yCl_y（y=0,0.05,0.1,0.3）。系统考察了合成产物的结构、形貌及其电化学性能。结果表明,掺杂后的样品均无杂质相存在,颗粒均匀,表面光滑。当钴掺杂量x=0.05时,Li₄Ti_4.95Co_0.05O₁₂电化学性能最优,在高倍率10.0 C下进行充放电,其放电比容量为104.1 mAh/g,比纯相Li₄Ti₅O₁₂的放电比容量高出58 mAh/g。当氯掺杂量y=0.05时,Li₄Ti₅O_11.95Cl_0.05电化学性能最优,在高倍率10.0 C下进行充放电,其放电比容量为73.3 mAh/g,比纯相Li₄Ti₅O₁₂的放电比容量高出27.1 mAh/g。4.采用水热法合成了片状Li₄Ti₅O₁₂,考察了不同水热时间、不同煅烧温度对合成产物结构、形貌及电化学性能的影响。得出的最佳条件为:水热时间为36h,煅烧温度为600℃。结果显示,在0.5 C下,其首次放电比容量为182.9mAh/g,电池循环50次后,放电比容量依然高达157.4 mAh/g,在高倍率10.0 C下进行充放电,其放电比容量为130.7 mAh/g。