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《江汉大学》 2018年
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钛酸锂改性及聚合物复合材料电解质的制备

程琦  
【摘要】:钛酸锂(Li_4Ti_5O_(12))是一种嵌入型锂离子电池负极材料,体积应变小、循环稳定性高、电压平台高、表面不形成钝化膜、不易形成锂枝晶等优点使得其安全性能高于其他锂离子电池负极材料。Li_4Ti_5O_(12)(LTO)材料的充放电平台大约为1.55 V(vs.Li~+/Li),Li~+在Li_4Ti_5O_(12)中的扩散系数大约为2×10~(-8)cm~2/s(25℃),和石墨负极对比而言,其扩散系数更大,但在大倍率充放电条件下往往伴随着严重的极化现象。这主要是由于Li_4Ti_5O_(12)材料本征电导率很低(≦10~(-9)S/cm)造成的,以至于在以其组装的电池大倍率充放循环时,容量损失严重,同时伴随电池循环稳定性严重下降。本课题以元素掺杂、高分子碳源包覆为改性手段,制备出了具有新型微纳分米结构、高电导率、高功率、高安全性和长寿命的Li_4Ti_5O_(12)复合材料。同时针对工业生产中Li_4Ti_5O_(12)基软包电池存储和循环过程中出现的“气胀”问题,特别是高温气胀现象,本课题从钛酸锂电导率的提高和设计新型聚合物电解质两方面作为切入点,从而达到提高钛酸锂基电池综合性能目的。主要研究内容及结果如下:(1)以锐钛矿型TiO_2,Li_2CO_3,轻质MgO为原料,通过高温固相法制备Li_(4-x)-x Mg_xTi_5O_(12)(0≦x≦0.2)负极材料,研究不同比例的Mg~(2+)掺杂对Li_4Ti_5O_(12)晶格结构、相组成和颗粒形貌以及电化学性能的改变。借助XRD、SEM、电化学工作站和LAND充放电测试仪,表征Li_(4-x)Mg_xTi_5O_(12)材料的物理性能和电化学性能。测试结果表明:当x=0.1时材料的电化学性能最好,高倍率条件下所组装的电池的循环寿命得到有效提升,电极极化程度明显变小,在2 C倍率下首次放电比容量为122.5 mAh/g,经过100次循环后,放电比容量保持在119.3 mAh/g。实验证明,Mg~+掺杂能有效提高钛酸锂电导率,材料的综合电化学性能得到了改善。(2)为进一步增强Li_(3.9)Mg_(0.1)Ti_5O_(12)材料的性能,我们使用液相沉积法,以水溶性高分子化合物聚乙烯醇(PVA)为原料制备了碳包覆Li_(3.9)Mg_(0.1)Ti_5O_(12)复合材料,研究了不同包覆量对Li_(3.9)Mg_(0.1)Ti_5O_(12)复合材料晶相结构和性能的影响效果。测试结果表明,当碳包覆量为8%时,复合材料比Li_(3.9)Mg_(0.1)Ti_5O_(12)表现出更好的综合性能。以高分子化合物为碳源包覆Li_(3.9)Mg_(0.1)Ti_5O_(12)大大提高了材料电子电导率,对于电极材料与电解液间可能发生的副反应也起到了抑制作用。Li_(3.9)Mg_(0.1)Ti_5O_(12)复合材料的碳包覆量和其电导率在一定包覆量范围内表现出正相关。最后分析了碳包覆量和电导率的关系以及双重改性能提高复合材料倍率性能的原因。(3)采用溶剂挥发法设计合成出一种新型聚合物电解质NCN500代替传统碳酸酯电解液,实验表明该聚合物电解质NCN500力学具有很好的力学应变性、热稳定性、电化学稳定性。同时考察了钴酸锂(LCO)/NCN500/LTO的电化学表现,研究了该聚合物电解质NCN500抑制钛酸锂“气胀”反应的实际效果和理论机理。综合测试结果表明,该聚合物电解质NCN500对于钛酸锂与电解液之间的副反应起到了有效的抑制作用,钛酸锂基软包电池的整体安全系数得到很大提高。
【学位授予单位】:江汉大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB332;TM912

【参考文献】
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