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《哈尔滨工业大学》 2013年
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锂离子电池负极材料钛酸锂的制备与改性及其电化学性能

谷芳  
【摘要】:尖晶石型Li_4Ti_5O_(12)具有循环稳定性好,锂离子嵌入、脱出过程中几乎没有体积变化,有机电解液中稳定,安全性能好等一系列的优点,被认为是有可能替代碳负极的一种新型电极材料。但Li_4Ti_5O_(12)的电子电导率低,高倍率性能差是制约其实际应用的主要障碍。若能解决上述问题,进一步提高Li_4Ti_5O_(12)的电化学性能,必将加快Li_4Ti_5O_(12)商业化应用进程。 利用正交实验确定了液相法制备Li_4Ti_5O_(12)的最佳工艺:烧结温度为750℃,烧结时间为8h,LiOH·H_2O为锂源,原料中锂钛摩尔比为0.85。该条件下制备的Li_4Ti_5O_(12)在0.2C倍率下,放电平台约为1.54V,首次可逆比容量为178.59mAh·g~(-1)。5C倍率下的放电平台降至约1.32V,首次可逆比容量为92.73mAhg~(-1)。采用循环伏安和交流阻抗研究了Li_4Ti_5O_(12)的电极过程动力学行为。发现循环伏安曲线的峰电流值与扫描速率的平方根呈线性关系,其电极过程动力学行为符合半无限扩散模型,同时利用EIS法求得了不同荷电状态下Li_4Ti_5O_(12)电极的交换电流密度和锂离子扩散系数。研究发现交换电流密度随着荷电百分比的增加而增大,当荷电百分比为100%时,交换电流密度达到最大值0.3034mA·cm-2,在荷电状态从100%减少到15.5%, Li_4Ti_5O_(12)电极材料的锂离子扩散系数介于1.83×10~(-12)cm~2·s~(-1)与8.94×10~(-13)cm~2·s~(-1)之间。 对Li位进行掺杂改性,制备了Li_(4-x)Al_xTi_5O_(12)(x=0,0.03,0.05,0.10)和Li_(4-x)K_xTi_5O_(12)(x=0,0.02,0.04,0.06)系列化合物,XRD测试表明,Al和K掺杂没有改变材料的晶格结构,但分别引起了晶胞体积的收缩和膨胀。考察了不同掺杂量下电极材料的电化学性能,确定了最佳掺杂量为xAl=0.05,xK=0.04。0.5C倍率下,Li_(3.95)Al_(0.05)Ti_5O_(12)和Li_(3.96)K_(0.04)Ti_5O_(12)循环30次后可逆比容量分别为147.23mAh·g~(-1)和157.13mAh·g~(-1)。倍率提高到3C,Li_(3.96)K_(0.04)Ti_5O_(12)表现出更好的高倍率性能。 Li位掺杂虽然改善了材料的倍率性能,但可逆比容量有所损失。因此选择Al和Zr两种元素对Ti位进行了掺杂,制备了Li_4Ti_(5-x)Al_xO_(12)(x=0.03,0.05,0.10)和Li4Ti5-xZrxO12(x=0.03,0.05,0.10)系列化合物。XRD测试表明Al和Zr的引入没有改变材料晶格结构,但分别引起了晶格常数的变小和变大。ICP测试证明了实际掺杂比例与初始投料比基本一致。充放电测试发现Al和Zr的最佳掺杂量均为x=0.05。Li_4Ti_(4.95)Al_(0.05)O_(12)和Li_4Ti_(4.95)Zr_(0.05)O_(12)在0.5C,1C,3C倍率下可逆比容量分别达到168.35mAh·g~(-1)和157.14mAh·g~(-1),159.50mAh·g~(-1)和153.49mAh·g~(-1),149.14mAh·g~(-1)和143.92mAh·g~(-1)。通过交流阻抗测试并拟合发现,Li_4Ti_(4.95)Zr_(0.05)O_(12)具有最小的Rs和Rct,因而该材料具有最优的电化学性能。对四种最佳掺杂量下获得的电极材料的电导率进行测试发现,Li_4Ti_(4.95)Zr_(0.05)O_(12)具有最高的电导率,达到8.910-6S·cm~(-1),与Li_4Ti_5O_(12)相比,提高两个数量级,显著改善了其电子电导率低的缺点。 对Li_4Ti_5O_(12)进行了碳包覆研究,选择蔗糖和油酸为碳源。通过对结构和性能的比较,确定最佳的碳源及加入量,研究发现,相比传统的碳源,由于油酸含碳数较多,用量少无污染,可以作为一种新的碳包覆原料,研究中详细探讨了油酸作为碳源包覆后Li_4Ti_5O_(12)/C复合材料的结构、形貌和电化学性能,同时分析了油酸的包覆机理。 在上述研究的基础上,制备Li_4Ti_(4.95)Zr_(0.05)O_(12)/C复合材料,XRD和SEM测试结果表明掺杂材料的晶胞体积增大,颗粒尺寸略有降低。在0~2.5V和1~2.5V电压区间内进行充放电测试,0.2C倍率下放电到0V,循环50次后Li_4Ti_(4.95)Zr_(0.05)O_4/C的可逆比容量为289.03mAh·g~(-1),Li_4Ti_5O_(12)/C的可逆比容量为264.03mAh·g~(-1),当倍率提高到5C时,两者的可逆比容量分别为212.6mAh·g~(-1)和137.07mAh·g~(-1)。电导率、CV和EIS研究表明,Li_4Ti_(4.95)Zr_(0.05)O_4/C提高了电导率,降低高倍率下的极化,Rct值明显降低,电化学性能得到改善,尤其在低电压区间内性能提高更为明显。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TM912

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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 陈军;陶占良;袁华堂;;锂离子二次电池电极材料的研究进展[J];电源技术;2007年12期
2 赵鹏;姚彩珍;樊小勇;;共沉淀法合成Li_4Ti_5O_(12)及其性能研究[J];无机盐工业;2010年08期
3 苏岳锋,吴锋,陈朝峰;纳米微晶TiO_2合成Li_4Ti_5O_(12)及其嵌锂行为[J];物理化学学报;2004年07期
4 陈立泉;锂离子电池中的物理问题[J];物理;1998年06期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 徐玲;刘昌龄;吴世彪;童彬;陈少华;徐立红;;正交法优化电沉积CuInSe_2薄膜条件的研究[J];安徽教育学院学报;2006年03期
2 吕建;殷洪亮;;太阳电池及其发展方向[J];中国建设动态.阳光能源;2005年05期
3 殷洪亮;吕建;;浅析太阳电池并网发电技术[J];中国建设动态.阳光能源;2006年01期
4 吕建;殷洪亮;;浅谈风光互补发电系统的应用[J];中国建设动态.阳光能源;2006年03期
5 闫时建,田文怀,其鲁;锂离子电池正极材料钴酸锂近期研制进展[J];兵器材料科学与工程;2005年01期
6 吕宝堂,郑君,邹邦涛,王霞,贾兆滨;弱光非晶硅太阳电池的研制[J];半导体光电;2002年05期
7 王育伟;刘小峰;陈婷婷;姜春萍;王瑞林;;薄膜太阳电池的最新进展[J];半导体光电;2008年02期
8 王琦;王娜娜;于军胜;蒋亚东;;有机薄膜太阳电池的研究进展[J];半导体光电;2010年05期
9 吕宝堂,赵晖,郑君,贾兆滨,邹邦涛;非晶硅太阳电池的衰减与退火[J];半导体技术;2002年07期
10 鄢强,冯良桓,武莉莉,张静全,郑家贵,蔡伟,蔡亚平,李卫,黎兵,宋慧瑾,夏庚培;碲化锌插入层对碲化镉太阳电池性能参数影响的分析[J];半导体学报;2004年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 郑春满;肖静;韦永滔;郭宇杰;谢凯;;Cu_xIn_yGa_zO_n纳米粉体的共沉淀法制备与表征[A];中国空间科学学会空间材料专业委员会2011学术交流会论文集[C];2011年
2 王敬;马兴泰;张莉;吴锋;;Y_2O_3对LaMg_(12)型储氢合金电化学性能的影响[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年
3 黄群英;郁金南;万发荣;李建刚;吴宜灿;;聚变堆低活化马氏体钢的发展[A];第十二届反应堆数值计算与粒子输运学术会议论文集[C];2008年
4 王英;唐仁衡;肖方明;肖志平;;锂离子电池负极材料Li_4Ti_5O_(12)的制备工艺研究[A];低碳技术与材料产业发展研讨会论文集[C];2010年
5 李爱菊;陈红雨;;环境友好材料的研究进展[A];低碳技术与材料产业发展研讨会论文集[C];2010年
6 刘守平;田卫国;刘仁龙;刘小军;刘志红;;V_3TiNi_(0.56)Cr_x(x=0.1,0.3)贮氢合金耐碱液腐蚀性能研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(4)[C];2007年
7 武鹏;唐致远;杨景雁;;Li_4Ti_5O_(12)在电化学器件中的应用[A];第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2006年
8 武鹏;唐致远;杨景雁;;Li_4Ti_5O_(12)的改性研究[A];第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2006年
9 阳晓霞;唐致远;;锂高子电池负极材料Li_4Ti_5O_(12)的研究新进展[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集(上集)[C];2005年
10 吴可;仇卫华;曹高萍;周国治;;混合电化学电容器用Li_4Ti_5O_(12)电化学性能研究[A];第十三次全国电化学会议论文摘要集(下集)[C];2005年
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1 杭州明;Ti-V-Fe系储氢合金的微观结构及储氢性能研究[D];浙江大学;2010年
2 陈红;锂电池电极材料的磁性及电化学性质研究[D];吉林大学;2011年
3 窦树梅;锂离子电池正极材料Li-Ni-Mn-O体系的制备与改性研究[D];中国科学技术大学;2010年
4 郎俊伟;用于超级电容器的金属氧化物及其复合电极材料的制备与性能研究[D];兰州理工大学;2010年
5 李灵均;综合利用红土镍矿制备锂离子电池正极材料LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_2和LiFePO_4的研究[D];中南大学;2011年
6 李永涛;配位氢化物的储氢特性研究[D];复旦大学;2011年
7 崔妍;金属氧化物与碳共包覆LiFePO_4正极材料高倍率电化学性能研究[D];天津大学;2010年
8 崔闻宇;锂离子电池用离子液体型电解质的制备及其性能研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 赵之雯;VHF-PECVD技术沉积高生长率微晶硅薄膜及薄膜的稳定性研究[D];河北工业大学;2011年
10 黄建书;聚阴离子型磷酸盐锂离子电池正极材料的研究[D];上海交通大学;2011年
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1 秦明;锂离子电池正极材料磷酸锰锂合成方法的研究[D];山东科技大学;2010年
2 徐乐;树脂炭包覆微晶石墨作锂离子电池负极材料研究[D];长沙理工大学;2010年
3 王雁生;锂离子电池负极材料Li_4Ti_5O_(12)的制备及其改性研究[D];湘潭大学;2010年
4 陈卓;氢能载体甲基环己烷在Ni/γ-Al_2O_3催化剂上的脱氢反应研究[D];湘潭大学;2010年
5 聂正新;锂离子电池正极材料LiMPO_4(M=Mn,Fe)的第一性原理研究[D];江西师范大学;2010年
6 田慧;电极修饰对聚合物光伏电池性能及稳定性的影响[D];天津理工大学;2010年
7 郁旭;熔融盐法合成高密度锂离子电池正极材料LiNi_(1/3)Co_(2/3-X)Al_XO_2和LiNi_(1/3)Co_(1/3)Mn_(1/6)Al_(1/6)O_2[D];河南师范大学;2010年
8 孙学磊;磷酸铁锂正极材料制备及其电化学性能研究[D];昆明理工大学;2010年
9 于逢婕;锂离子电池正极材料磷酸铁锂的制备及改性研究[D];昆明理工大学;2009年
10 李变云;改性磷酸亚铁锂正极材料的制备及其电化学性能[D];福建师范大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前8条
1 陈白珍,胡拥军,李义兵,李改变;锂离子电池聚合物正极材料的研究进展[J];电池;2005年05期
2 胡国荣,桂阳海,彭忠东;锂离子蓄电池正极材料LiCoO_2研究进展[J];电源技术;2003年02期
3 闫俊美,杨勇;非碳类新型锂离子蓄电池负极材料研究进展[J];电源技术;2004年07期
4 应皆荣,万春荣,姜长印;高密度球形LiCoO_2的制备及性能研究[J];电源技术;2004年09期
5 刘兴江;肖成伟;余冰;董杰;汪继强;;混合动力车用锂离子蓄电池的研究进展[J];电源技术;2007年07期
6 唐致远,高飞,薛建军,杨廷明;锂离子电池聚合物电解质的研究进展[J];化工进展;2004年12期
7 殷雪峰,刘贵昌;锂离子电池炭负极材料研究现状与发展[J];炭素技术;2004年03期
8 黄学杰,李泓,王庆,刘伟峰,师丽红,陈立泉;纳米储锂材料和锂离子电池[J];物理;2002年07期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张梁堂;宋杰;蔡敏真;徐富春;吴孙桃;董全峰;;磁控溅射制备的铜钒氧化物薄膜及其电化学性能[J];高等学校化学学报;2009年05期
2 单宇;王丽;梁广川;欧秀芹;;溶胶-凝胶法制备Li_4Ti_5O_(12)/C复合负极材料及性能研究[J];电源技术;2010年12期
3 李辉,翟玉春,田彦文;锂离子电池正极材料LiNi_(1-y)Al_yO_2的制备及性能[J];中国有色金属学报;2003年03期
4 陈晗;龚文强;刘友良;刘建华;;树枝状碳芯结构LiFePO_4/C复合材料的制备及电化学性能[J];中国有色金属学报;2010年11期
5 田彦文,翟秀静,高虹,翟玉春;锂离子电池正极材料LiNiO_2的制备和性能研究[J];无机材料学报;1999年03期
6 任海伦;戴永年;姚耀春;李伟宏;;Li_(1.02)Co_xCr_yMn_(2-x-y)O_4的固相合成及性能表征[J];无机材料学报;2006年03期
7 施志聪,李晨,杨勇;LiFePO_4新型正极材料电化学性能的研究[J];电化学;2003年01期
8 常晓燕,王志兴,李新海,匡琼,彭文杰,郭华军,张云河;锂离子电池正极材料LiMnPO_4的合成与性能[J];物理化学学报;2004年10期
9 雷钢铁,李朝晖,苏光耀;锂离子电池阴极材料LiCo_xMn_(2-x)O_4的研究[J];化学世界;2003年10期
10 向楷雄;郭华军;李新海;王志兴;罗文斌;李黎明;;合成温度对Li_2FeSiO_4/C电化学性能的影响[J];功能材料;2008年09期
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1 陈文;麦立强;祁琰媛;余华;彭俊锋;朱泉峣;;钒氧化物纳米管/棒的结构与电化学性能[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
2 黄文达;高绍康;魏明灯;;水热合成V_3O_7·H_2O纳米带及其电化学性能研究[A];第二十八届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2009年
3 李冬梅;;纳米氧化铜粉体的制备及其电化学性能研究[A];新世纪 新机遇 新挑战——知识创新和高新技术产业发展(上册)[C];2001年
4 徐悦斌;钟胜奎;张倩;;Ti掺杂LiNi_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2的制备及电化学性能[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第5分册)[C];2010年
5 张法亮;罗永春;阎汝煦;康龙;陈剑虹;;La_(2-x)Mg_xNi_(7.0)(x=0.4,0.5,0.6,0.7,0.8)贮氢合金结构和电化学性能的研究[A];第五届中国功能材料及其应用学术会议论文集Ⅲ[C];2004年
6 黄莎华;温兆银;朱修剑;顾中华;;Li_(3.608)Al_(0.085)Ti_5O_(11.932)的制备和电化学性能研究[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
7 吕正中;周震涛;谢辉;;LiFePO_4/(C+Ag)复合材料的制备与电化学性能[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
8 张建;张瑶;韩学武;夏保佳;;锂离子电池正极材料Li_(1+x)Ni_(0.6)Co_(0.2)Mn_(0.2)O_2的电化学性能[A];第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2006年
9 王兆翔;黄学杰;陈立泉;;纳米表面改性提高正极材料LiCoO_2的电化学性能的机理研究[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
10 姚之晓;赵东林;沈曾民;;沥青基活性碳纤维的制备及其电化学性能研究[A];2009中国功能材料科技与产业高层论坛论文集[C];2009年
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1 徐莅 新疆昊鑫锂盐开发有限公司;稀土和钴掺杂锰酸锂的电化学性能研究[N];新疆科技报(汉);2011年
2 本报记者 镡立勇王渊;“风帆”遨游世界锂电池领域[N];河北经济日报;2008年
3 ;日本轻金属开发出锂离子 充电电池用铝板[N];中国有色金属报;2002年
4 钱铮;新锂离子电容器充电只要30秒[N];新华每日电讯;2008年
5 马扬;我国新型锂离子电池材料研发取得重大突破[N];中国高新技术产业导报;2007年
6 记者 黄元章;11个项目开工 9个项目竣工[N];闽东日报;2008年
7 ;800吨锂离子负极材料项目工程启动[N];中国有色金属报;2003年
8 柳宁;中科科技:专注锂离子电池材料[N];中国电子报;2007年
9 刘碧玛;动力锂离子电池要抓住发展机遇[N];科技日报;2007年
10 钱建伟;国泰上市首日飚升79%[N];苏州日报;2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 谷芳;锂离子电池负极材料钛酸锂的制备与改性及其电化学性能[D];哈尔滨工业大学;2013年
2 王洪波;几种形貌过渡金属氧化物的制备及电化学储锂性能研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
3 江荣岩;提高电极导电性改善锰酸锂与α型二氧化锰电化学性能的研究[D];山东大学;2013年
4 尹盛玉;锂离子电池负极材料钛酸盐的合成及电化学性能研究[D];武汉大学;2010年
5 刘永锋;La-Mg-Ni-Co系贮氢电极合金的相结构及电化学性能研究[D];浙江大学;2005年
6 李嵩;多元合金化对Zr基Laves相贮氢合金相结构和电化学性能的影响[D];大连海事大学;2004年
7 杜嬛;天然植物基多孔炭材料的制备及其电化学性能研究[D];天津大学;2009年
8 朱云峰;钛钒基贮氢电极合金结构和电化学性能研究[D];浙江大学;2003年
9 罗永春;稀土系过化学计量比AB_(5+x)无钴储氢合金电极材料研究[D];兰州理工大学;2005年
10 路艳罗;超分子结构层状锂锰氧化物的组装及其电化学性能研究[D];北京化工大学;2005年
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1 倪江锋;掺杂磷酸铁锂的合成与性能研究[D];湘潭大学;2004年
2 岳远见;Zr、Ti替代La对La-Mg-Ni-Co系贮氢电极合金结构及电化学性能的影响[D];浙江大学;2005年
3 张绪玉;AB_3型La_(0.67)Mg_(0.33)Ni_(3.0-x)M_x系贮氢合金的相结构与电化学性能研究[D];兰州理工大学;2005年
4 陈伟东;组元比例Ml:Mm对贮氢合金PCT特性及电化学性能的影响[D];内蒙古工业大学;2005年
5 费新坤;锂离子电池正极材料LiM_xMn_(2-x)O_4的合成与性能[D];合肥工业大学;2005年
6 彭淑合;镁合金直接化学镀Ni-B初期成核机理及镀液电化学性能研究[D];厦门大学;2009年
7 贺婷;锡基多元合金负极材料的电化学性能研究应用[D];华中师范大学;2011年
8 王文杰;钒酸锂电极材料的合成、改性及电化学性能研究[D];中南大学;2012年
9 徐洋;硅酸亚铁锂材料的合成及其电化学性能研究[D];中南大学;2012年
10 李芳红;稀土系过化学计量比储氢电极合金的相结构及电化学性能研究[D];兰州理工大学;2003年
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