高比容量鋰離子電池用鈦酸鋰負極材料的制備研究.pdf

1、石墨是商用鋰離子電池負極的主要材料，其理論容量為372mAh/g。由于該類材料循環(huán)穩(wěn)定性較差、能量密度較低，不能滿足人們對大比容量儲能設備的要求；而且在高倍率和過充情況下形成的鋰枝晶容易刺破隔膜，造成電池短路而發(fā)生爆炸，存在較大的安全隱患。因此開發(fā)出安全性高、能量密度大、倍率性能好、循環(huán)穩(wěn)定性好、使用壽命長的鋰離子電池是非常必要的。尖晶石型鈦酸鋰被稱為“零應變”材料，并且具有非常平穩(wěn)的充放電平臺，被認為是一種理想的負極材料；硅具有非常高

2、的理論比容量，是取代石墨作為大容量負極材料的理想替代材料之一。為提高材料的電化學性能，本文以納米化與復合材料新型結構復合為出發(fā)點，系統(tǒng)的研究水熱法合成納米鈦酸鋰的影響因素，并采用化學氣相沉積法制備硅碳復合納米管陣列。
　　本研究主要內容包括：⑴靜態(tài)水熱法合成鈦酸鋰納米顆粒及其性能表征。結果表明，鈦鋰源比例、pH、反應溫度、反應時間、煅燒溫度等因素對鈦酸鋰的合成有影響作用。其中，煅燒溫度對鈦酸鋰的合成影響作用最大。在800oC熱處理

3、后得到的鈦酸鋰粒徑均一、結晶度高、純度高；經(jīng)過100次循環(huán)后庫倫效率幾乎為100％，每次容量衰減率小于0.35％，具有較好的容量保持率。通過對粒徑的控制與分析，該方法合成鈦酸鋰的機理是原位置換反應。⑵動態(tài)水熱法合成鈦酸鋰納米管。在靜態(tài)水熱法的基礎上，加入磁攪拌驅動力，來合成大比表面積長鈦酸鋰納米管。該材料具有較高的電化學反應活性，在0.5C電流密度下，首次放電比容量達到173.1 mAh/g；在5C電流密度時容量仍保持為135 mAh/

4、g，具有較好的倍率性能；經(jīng)過100個循環(huán)后容量仍為166.8 mAh/g，庫倫效率在10個循環(huán)后保持穩(wěn)定并接近100％。⑶采用化學氣相沉積法合成硅碳納米管并與鈦酸鋰復合。以陽極氧化鋁為模板，化學氣相沉積法合成硅碳復合納米管陣列，通過調控硅碳源比例，調節(jié)管徑和壁厚可控的納米管陣列。復合納米管外側碳傳輸電荷，內側的空隙緩沖硅體積膨脹，提高電池的循環(huán)性能和穩(wěn)定性。在0.5C時首放比容量為1700mAh/g，達到理論比容量，50次循環(huán)后比容量仍