本文關(guān)鍵詞：鋰離子電池負(fù)極材料鈦酸鋰的摻雜改性研究

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【摘要】：鋰離子電池具有較高的能量密度和長(zhǎng)的循環(huán)壽命,被用作動(dòng)力汽車(chē)的儲(chǔ)能設(shè)備。2014年是中國(guó)新能源汽車(chē)的爆發(fā)元年,在政策和市場(chǎng)的雙輪驅(qū)動(dòng)下,動(dòng)力鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模和景氣度正在快速提升,未來(lái)市場(chǎng)空間巨大。負(fù)極材料是鋰離子電池的四大關(guān)鍵材料之一,目前商業(yè)化的石墨類(lèi)碳負(fù)極已日漸不能滿(mǎn)足動(dòng)力汽車(chē)的發(fā)展要求,急需尋找高安全和高性能的鋰離子電池負(fù)極材料。鈦酸鋰(Li_4Ti_5O_(12))是一種有望在未來(lái)替代石墨碳負(fù)極材料的具有應(yīng)用前景的負(fù)極材料。Li_4Ti_5O_(12)具有較高的電壓平臺(tái)(~1.55 V vs.Li+/Li),可避免鋰枝晶和表面SEI膜的生成。同時(shí),Li_4Ti_5O_(12)晶體在鋰離子嵌入和脫出時(shí)晶格常數(shù)和體積變化都很小,是一種“零應(yīng)變”材料,能夠避免在充放電過(guò)程中由于材料的來(lái)回伸縮而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞,具有非常好的耐過(guò)充、過(guò)放特征。然而Li_4Ti_5O_(12)較低的電子導(dǎo)電性(僅10-13 S cm-1)阻礙了其在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。本文以Li_4Ti_5O_(12)為研究對(duì)象,采用工業(yè)常規(guī)使用的固相反應(yīng)法,以提高其導(dǎo)電性為目的,通過(guò)體相元素?fù)诫s及表面包覆改性,設(shè)計(jì)合成了系列摻雜改性Li_4Ti_5O_(12)負(fù)極材料,具體的研究?jī)?nèi)容如下:(1)選用高價(jià)態(tài)的Ta~(5+)為摻雜元素,以固相法合成了Ta摻雜的Li_4Ti_5O_(12)。Ta的摻雜量?jī)H為0.1 at%,制備的Li_4Ti_(4.995)Ta_(0.005)O_(12)電極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。在10C時(shí)可逆容量達(dá)到95.1 mAhg~(-1),在5C循環(huán)100次之后,容量仍然高達(dá)132.2 mAhg~(-1),主要?dú)w因于Ta摻雜后Li_4Ti_(4.995)Ta_(0.005)O_(12)的晶胞參數(shù)增大,有利于離子和電子的擴(kuò)散遷移,出現(xiàn)的Ti4+/Ti~(3+)混合價(jià)態(tài)促使自由電子聚集,大大增強(qiáng)了Li_4Ti_5O_(12)的電子導(dǎo)電性。(2)采用三聚氰胺為固相氮源,避免高腐蝕性氨氣的使用,簡(jiǎn)化制備流程,制備了TiN包覆的Li_4Ti_5O_(12)。電化學(xué)性能測(cè)試表明N修飾后的鈦酸鋰表現(xiàn)出更高的倍率和循環(huán)性能,主要原因是在Li_4Ti_5O_(12)的表面包覆了約1.24 nm的TiN層,提高了材料的電子導(dǎo)電性。對(duì)于LTON12電極,在5C倍率下循環(huán)500次后容量高達(dá)124.2 mAhg~(-1);在固定1C的電流密度下放電時(shí),100C的超高倍率依然表現(xiàn)出74.3 mAhg~(-1)的充電容量。(3)對(duì)Li_4Ti_5O_(12)進(jìn)行體相元素?fù)诫s和表面包覆改性,制備氮化Li_4Ti_(5-x)Ta_xO_(12)的微米級(jí)Li_4Ti_5O_(12),其中內(nèi)部Ta~(5+)摻雜提高了材料的本征電子和離子導(dǎo)電性,表層TiN包覆提高了材料的導(dǎo)電性以及顆粒之間的電接觸。改性后的微米Li_4Ti_5O_(12)電極在10C時(shí)放電容量為132.7 mAhg~(-1),循環(huán)500次之后,容量保持率高達(dá)93.9%。甚至在20C的高倍率下,容量依然可以達(dá)到89.5 mAhg~(-1)。
【關(guān)鍵詞】：鋰離子電池 負(fù)極材料 鈦酸鋰 鉭摻雜 TiN包覆
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TM912;TQ131.11
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 緒論11-26
• 1.1 引言11
• 1.2 鋰離子電池介紹11-14
• 1.2.1 鋰離子電池發(fā)展簡(jiǎn)史11-13
• 1.2.2 鋰離子電池正極材料13
• 1.2.3 鋰離子電池隔膜13
• 1.2.4 離子電池電解液13-14
• 1.2.5 鋰離子電池負(fù)極材料14
• 1.3 尖晶石型鈦酸鋰的研究概況14-24
• 1.3.1 鈦酸鋰的結(jié)構(gòu)特性14-16
• 1.3.2 鈦酸鋰的合成方法16-20
• 1.3.2.1 固相法16-17
• 1.3.2.2 溶膠凝膠法17-18
• 1.3.2.3 水熱法18-19
• 1.3.2.4 靜電紡絲法19
• 1.3.2.5 噴霧干燥法19-20
• 1.3.3 鈦酸鋰的改性方法20-24
• 1.3.3.1 碳包覆21-22
• 1.3.3.2 表面修飾22
• 1.3.3.3 結(jié)構(gòu)納米化22-23
• 1.3.3.4 離子摻雜23-24
• 1.4 選題意義與研究?jī)?nèi)容24-26
• 第二章 實(shí)驗(yàn)部分26-33
• 2.1 引言26
• 2.2 實(shí)驗(yàn)材料及儀器設(shè)備26-28
• 2.3 材料的表征28-30
• 2.3.1 X射線(xiàn)衍射(XRD)28
• 2.3.2 綜合熱分析儀(TG)28-29
• 2.3.3 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)29
• 2.3.4 場(chǎng)發(fā)射透射電子顯微鏡(TEM)29
• 2.3.5 拉曼光譜(Raman)29
• 2.3.6 X射線(xiàn)光電子衍射能譜(XPS)29-30
• 2.3.7 元素分析(Elemental analysis)30
• 2.3.8 電子順磁共振技術(shù)(EPR)30
• 2.4 電化學(xué)性能測(cè)試30-33
• 2.4.1 極片的制作和電池的組裝30-31
• 2.4.2 恒流充放電測(cè)試31
• 2.4.3 循環(huán)伏安測(cè)試31-32
• 2.4.4 交流阻抗測(cè)試32-33
• 第三章 Li_4Ti_5-xTaxO_(12)負(fù)極材料的制備及電化學(xué)性能研究33-48
• 3.1 引言33-34
• 3.2 實(shí)驗(yàn)部分34-35
• 3.3 結(jié)果與討論35-46
• 3.3.1 鉭摻雜鈦酸鋰的微觀結(jié)構(gòu)表征35-41
• 3.3.2 鉭摻雜鈦酸鋰的電化學(xué)性能測(cè)試41-44
• 3.3.3 鉭摻雜鈦酸鋰的儲(chǔ)鋰機(jī)理分析44-46
• 3.4 本章小結(jié)46-48
• 第四章 TiN包覆Li_4Ti_5O_(12)負(fù)極材料的改性研究48-63
• 4.1 引言48-49
• 4.2 實(shí)驗(yàn)部分49-50
• 4.3 結(jié)果與討論50-61
• 4.3.1 TiN包覆鈦酸鋰的微觀結(jié)構(gòu)表征50-55
• 4.3.2 TiN包覆鈦酸鋰的電化學(xué)性能測(cè)試55-58
• 4.3.3 TiN包覆鈦酸鋰的儲(chǔ)鋰機(jī)理分析58-61
• 4.4 本章小結(jié)61-63
• 第五章 氮化Li_4Ti_(5-x)Ta_xO_(12)負(fù)極材料及電化學(xué)性能研究63-77
• 5.1 引言63
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分63-64
• 5.3 結(jié)果與討論64-76
• 5.3.1 氮化Li_4Ti_(5-x)Ta_xO_(12)的微觀性能表征64-71
• 5.3.2 氮化Li_4Ti_(5-x)Ta_xO_(12)的電化學(xué)性能研究71-74
• 5.3.3 氮化Li_4Ti_(5-x)Ta_xO_(12)的儲(chǔ)鋰機(jī)理分析74-76
• 5.4 本章小結(jié)76-77
• 結(jié)論與展望77-80
• 一、結(jié)論77-78
• 二、展望78-80
• 參考文獻(xiàn)80-94
• 攻讀碩士期間取得的研究成果94-95
• 致謝95-96
• 答辯委員會(huì)對(duì)論文的評(píng)定意見(jiàn)96

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 祖庸;鈦酸鉀的制備與應(yīng)用[J];鈦工業(yè)進(jìn)展;1996年01期

2 全學(xué)軍,蒲昌亮;鈦酸鋇的制備研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2002年06期

3 任云\，

本文編號(hào)：677266