尖晶石型Li4Ti5O12(LTO)具有充放電過程中“零應(yīng)變”、循環(huán)性能優(yōu)異、電壓平臺(tái)平穩(wěn)的特點(diǎn),被視為最有前景的鋰離子電池負(fù)極材料之一。然而,鈦酸鋰電子導(dǎo)電和離子導(dǎo)電能力欠佳,嚴(yán)重影響倍率性能,限制了其廣泛應(yīng)用。離子摻雜、表面包覆、減小顆粒尺寸等方法被廣泛用來改善鈦酸鋰負(fù)極材料倍率性能。其中,減小鈦酸鋰顆粒尺寸能夠有效縮短鋰離子和電子傳輸路徑,提高倍率性能。固相反應(yīng)法由于可規(guī)�；糯蠖哂休^強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用前景。但是固相反應(yīng)存在合成產(chǎn)物顆粒尺寸分布不均勻,形貌不規(guī)則,粒子尺寸增長(zhǎng)和團(tuán)聚難以控制等問題。因此通過固相反應(yīng)方法難以合成小尺寸鈦酸鋰顆粒。基于此,本論文采用可放大固相反應(yīng)法原位合成鈦酸鋰/碳微納雜化材料,以提高鈦酸鋰電化學(xué)性能。第一,采用可放大固相反應(yīng)方法成功合成分層結(jié)構(gòu)LTO/C微納雜化材料。超小鈦酸鋰納米顆粒(直徑約17 nm)均勻嵌入微米級(jí)連續(xù)碳基質(zhì)中。首先采用雙官能團(tuán)甲基丙烯酸酯樹脂單體作為溶劑和碳源,可控合成具有不同碳含量、二氧化鈦顆粒大小、以及晶型的TiO2/C復(fù)合材料。在此基礎(chǔ)上,將TiO2/C復(fù)合材料與Li2CO3進(jìn)行高溫固相反應(yīng),原位制備LTO/C微納雜化材料。碳基質(zhì)對(duì)固相反應(yīng)過程中鈦酸鋰顆粒生長(zhǎng)起到有效抑制作用。LTO/C微納雜化材料與含有商用LTO顆粒的LTO/C復(fù)合材料相比,循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能得到顯著改善。在175 mA/g下循環(huán)1000次后,LTO/C微納雜化材料可逆比容量仍保持在185 mAh/g,容量保持率為91%,而對(duì)照樣品可逆比容量?jī)H為135 mAh/g，容量保持率為78%。LTO/C微納雜化材料倍率性能,特別是在大電流密度下,也明顯優(yōu)于對(duì)照樣品。第二,采用高溫CO2活化方法調(diào)控LTO/C微納雜化材料鈦酸鋰顆粒大小、結(jié)晶程度以及碳基質(zhì)含量。對(duì)本論文第三章所合成不同碳含量鈦酸鋰/碳微納雜化材料,在800℃下,采用二氧化碳,分別活化處理4、8、12小時(shí)。作為性能對(duì)比,對(duì)同樣樣品在800℃下采用空氣氣氛熱處理8小時(shí)。研究發(fā)現(xiàn),LTO-A-CO2-12h與LTO-B-CO2-8h樣品由于具有良好結(jié)晶性能、無(wú)二氧化鈦雜相、鈦酸鋰顆粒較小(20nm、28nm)、碳基質(zhì)含量合適等特點(diǎn),電化學(xué)性能得到有效改善。具體而言,首次充電比容量分別為139 mAh/g和148 mAh/g,循環(huán)1000圈后,放電比容量分別為122 mAh/g和123 mAh/g,容量保持率分別為90%和83%。最高電流密度8750 mA/g下比容量達(dá)到65 mAh/g和76 mAh/g,對(duì)比空氣熱處理樣品鋰電性能得到明顯提高。因此,采用高溫CO2活化處理,在合適溫度以及時(shí)間條件下,能夠在碳基質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鈦酸鋰顆粒結(jié)晶程度以及鈦酸鋰顆粒大小等方面達(dá)到優(yōu)化,使得鈦酸鋰/碳微納雜化材料在1-2.5V電壓窗口下循環(huán)性能和倍率性能得到大幅改善。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TM912;TB383.1
【部分圖文】：

圖１－１鋰離子電池典型應(yīng)用領(lǐng)域逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．邋１－１邋Ｔｙｐｉｃａｌ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋Ｌｉ－ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ．逡逑

圖１－２可充電電池能量密度［１２］逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．邋１－２邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｒｅｃｈａｒｇｅａｂｌｅ邋ｂａｔｔｅｒｉｅｓ１１２１．逡逑

圖３－２Ｔｉ０２／Ｃ－Ｅ（ａ，ｂ）和ＬＴＯ／Ｃ－ＳＳＲ－Ｅ（ｃ，ｄ）微納雜化材料透射電鏡（ａ，ｃ）和高分辨透射電鏡逡逑（ｂ，ｄ）圖：（ｂ）和（ｄ）內(nèi)置選區(qū)電子衍射圖以及納米粒子高分辨透射電鏡晶面間距圖片逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．邋３－２邋ＴＥＭ邋（ａ，邋ｃ）邋ａｎｄ邋ＨＲＴＥＭ邋（ｂ，邋ｄ）邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋Ｔｉ0２／Ｃ－Ｅ邋（ａ，邋ｂ）邋ａｎｄ邋ＬＴＯ／Ｃ－ＳＳＲ－Ｅ邋（ｃ，邋ｄ）逡逑ｎａｎｏｈｙｂｒｉｄｓ．邋Ｉｎｓｅｔｓ邋ｉｎ邋（ａ）邋ａｎｄ邋（ｃ）：邋ＳＡＥＤ邋ｐａｔｔｅｒｎ?

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2827346