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溶胶-凝胶法合成锂离子电池负极材料Li_4Ti_5O_(12)及对其进碳包覆研究

于舒琴  
【摘要】: 锂离子电池具有高能量密度、高工作电压、无记忆效应等优点,有望成为电动汽车的主要动力来源之一。尖晶石结构的钛酸锂(Li_4Ti_5O_(12))是一种“零应变”材料,理论嵌锂电位为1.55V(vs. Li+/Li),理论比容量为175 mA?g-1,充放电过程中体积结构几乎不发生变化,具有充放电性能好、循环性能优良、充放电电压平台稳定等优点。同时钛资源丰富、价格低廉。这些优点使其成为锂离子电池极具发展前景的电极材料,有着巨大的研究价值和商业应用价值。 然而,Li_4Ti_5O_(12)材料的本征电子导电能力(电导率10-13Scm-1)和离子导电能力(锂离子扩散系数约为2×10-8cm2s-1)不高,因此Li_4Ti_5O_(12)在大电流充放电时容量衰减快、倍率性能较差,限制了其作为高倍率负极材料在动力锂离子电池中的应用。本文从有利于推进Li_4Ti_5O_(12)实际应用出发,针对钛酸锂材料电子导电率低,传统固相法烧结能耗高、纯度低的问题,以钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)和醋酸锂(LiCH3COO·2H2O)为原料采用溶胶凝胶法合成纳米级别的Li_4Ti_5O_(12),并以柠檬酸为碳源对Li_4Ti_5O_(12)进行碳包覆改性,获得了Li_4Ti_5O_(12)/C复合材料,改善了材料的导电性能,提高了材料的大电流充放电倍率性能,不仅丰富了Li_4Ti_5O_(12)材料的研究内涵,而且促进了Li_4Ti_5O_(12)材料在锂离子动力电池中的实际应用。其中获得的主要研究成果与结论如下: 1、通过采用P123为表面活性剂的溶胶凝胶法可以合成表现优良的Li_4Ti_5O_(12)材料。通过添加冰醋酸和表面活性剂P123来控制反应进程,可以得到分散良好、含杂质量低的纳米Li_4Ti_5O_(12)材料。 2、在溶胶凝胶法中,采用柠檬酸为碳源来对Li_4Ti_5O_(12)颗粒进行碳包覆,合成Li_4Ti_50_(12)/C复合材料。研究了含柠檬酸量的不同,对复合材料结构和电化学性能的影响。结果表明,适当地提高柠檬酸含量有利于充放电倍率性能的改善。当在溶胶凝胶过程中添加的柠檬酸的量为0.01mol时,Li_4Ti_5O_(12)的充放电性能最好。首次充放电比容量为161 mA?g-1,在以0.5C的倍率充放电时,放电容量保持率为85.4%,以5C的倍率充放电时,放电保持率为80%。 在溶胶凝胶法制备Li_4Ti_5O_(12)材料时,通过添加表面活性剂P123和柠檬酸,由于柠檬酸在作为碳包覆的碳源的同时也具有络合剂的作用,可以得到具有纳米尺寸、较好的电子导电率以及较好的大倍率充放电性能的Li_4Ti_5O_(12)材料。


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