作為鋰離子電池新型負(fù)極材料的鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)較高的嵌鋰電位較高（1.55V,相對于Li/Li⁺）,循環(huán)性能優(yōu)異,電壓平臺平穩(wěn)高等諸多優(yōu)點(diǎn),可以用來提升現(xiàn)階段鋰離子電池的倍率與安全性能,具有十分良好的發(fā)展前景。然而,Li₄Ti₅O₁₂材料存在較大的本征缺陷,較低的導(dǎo)電率和鋰離子擴(kuò)散系數(shù)嚴(yán)重抑制了其電化學(xué)性能的發(fā)揮,從而阻礙了它的實(shí)際應(yīng)用。減小粒徑尺寸離子摻雜、復(fù)合碳材料等方法被廣泛用來改善鈦酸鋰負(fù)極材料倍率性能。采用碳材料與納米尺寸鈦酸鋰形成的復(fù)合材料,能夠顯著提升鈦酸鋰材料的倍率性能。具有優(yōu)異導(dǎo)電性和獨(dú)特二維納米結(jié)構(gòu)的石墨烯被認(rèn)為是對Li₄Ti₅O₁₂進(jìn)行改性的理想材料。但是需要對Li₄Ti₅O₁₂和石墨烯的復(fù)合方式進(jìn)行精確調(diào)控,以最大程度提高復(fù)合電極材料中電子和離子的傳輸速率。本論文選擇納米... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所)浙江省

【文章頁數(shù)】：78 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

鋰離子電池結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖

1.3.1.2 軟碳和硬碳軟碳和硬碳由于較低的結(jié)晶度導(dǎo)致二者的片層不如石墨有序，如圖1.2所示。軟碳是指在 2500℃以下可以石墨化的無定形碳，屬于易石墨化的碳。軟碳材料耐過充、過放性能良好，對溶劑的相容性較好；但其電壓滯后大，沒有明顯的充放電位曲線平臺，對鋰電位較高，電池的能量密度也較低。硬碳是難以石墨化的熱解碳。與軟碳相比，硬碳負(fù)極的平臺較低，首次效率較高，能量密度也有所提升。圖 1.2 石墨、軟碳和硬碳的結(jié)構(gòu)模型[7]Figure1.2 Graphite, soft carbon and hard carbon structure models1.3.1.3 碳納米管碳納米管是具有一維納米結(jié)構(gòu)的碳材料，其作為電極材料存在首次庫倫效率低、循環(huán)穩(wěn)定性差等問題[11]，難以直接作為鋰離子電池的負(fù)極材料。然而在其一維中空的管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)外原位生長其他活性材料，可以明顯改善活性材料的導(dǎo)電性與穩(wěn)定性

1.4.1 鈦酸鋰的結(jié)構(gòu)與電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理鈦酸鋰（Li4Ti5O12）按晶形劃分屬于尖晶石結(jié)構(gòu)，其空間群為 Fd3m，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1.4 所示[64]。在該晶體結(jié)構(gòu)中，O2-占據(jù) 32e 位置，Li+占據(jù) 8a 位置的四面體間隙被，Li+和 Ti4+共同占據(jù) 16d 位置的八面體間隙。在嵌鋰過程中，外界來的一個 Li+首先占據(jù) 16c 位置，三個原本處于 8a 位置的 Li+向 16c 位置進(jìn)行遷移，形成嵌鋰態(tài)的巖鹽結(jié)構(gòu) Li7Ti5O12。嵌鋰后，晶胞參數(shù)由 0.836nm 變成 0.837nm，其體積變化＜0.2%，因此鈦酸鋰又被成為“零應(yīng)變材料”，這種微小的變化使鈦酸鋰材料在充放電過程中結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定。隨著嵌鋰的進(jìn)一步深入，8a、8b 和 48f 位置也可以儲存鋰離子，Li7Ti5O12逐步轉(zhuǎn)變?yōu)?Li9Ti5O12[19]，此時(shí)雖然容量有所增加，但是會破壞材料的結(jié)構(gòu)，影響循環(huán)壽命[20]。充放電曲線顯示，Li4Ti5O12存在一個大約 1.55V 的平穩(wěn)充放電平臺，這表明 Li+在 Li4Ti5O12中的嵌入與脫出是一個兩相過程。同時(shí)，1.55V 的嵌鋰電位也避免了與電解液的分解，具有非常好的安全性能。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]鋰離子電池基礎(chǔ)科學(xué)問題（Ⅷ）——負(fù)極材料[J]. 羅飛,褚賡,黃杰,孫洋,李泓.  儲能科學(xué)與技術(shù). 2014(02)
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[3]鋰離子電池的電化學(xué)阻抗譜分析[J]. 莊全超,徐守冬,邱祥云,崔永麗,方亮,孫世剛.  化學(xué)進(jìn)展. 2010(06)

博士論文
[1]石墨烯/過渡金屬氧化物復(fù)合材料制備及電化學(xué)性能研究[D]. 趙艷紅.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2016



本文編號：3139630