高功率鋰離子電池用新型納微分級結構Li4Ti5O12負極材料的研究.pdf

1、鋰離子電池具有開路電壓高、能量密度大、使用壽命長、少污染等優(yōu)點,它在總體性能上優(yōu)于其它傳統(tǒng)二次電池。電動汽車(EV、HEV)等環(huán)境負荷較低的“新一代汽車”要求搭載的儲能器件具備高速充放電能力,所以動力型鋰離子電池高功率化的研發(fā)不可或缺也十分緊迫。
　　 實現(xiàn)高功率鋰離子電池的關鍵是開發(fā)性能優(yōu)異的電池材料。Li4Ti5O12負極材料具有充放電過程中體積變化小、可逆性好等優(yōu)點。然而,作為高功率動力型鋰離子電池負極材料,其倍率性能還有

2、待進一步提高。納微分級結構不僅能夠提供大的比表面積和短的離子擴散路徑,而且熱力學穩(wěn)定,易于制備,是一種較為理想的結構體系,可有效提高電極材料的倍率性能。我們將Li4Ti5O12材料本身所具有的優(yōu)越的循環(huán)性能和安全性能,與納微分級結構有利于提高電極材料倍率性能的特點結合起來,設計合成出了一系列具有新型納微分級結構的Li4Ti5O12,從而獲得具有高功率、高安全性和長壽命的負極材料。主要研究內(nèi)容如下:
　　 利用乙二醇-水混合溶劑熱

3、法制備了納米片構成的花狀Li4Ti5O12微球。循環(huán)伏安測試結果表明,該結構體系通過縮短鋰離子的擴散路徑,增強了材料中鋰離子嵌/脫動力學性能。通過充放電測試,花狀Li4Ti5O12表現(xiàn)出了高的可逆容量和較好的倍率性能,在8 C倍率下的首次放電容量為165 mAhg-1。鑒于納米片自組裝結構的良好性能,我們利用無定型水合二氧化鈦微球作為前驅(qū)體,通過簡單的水熱合成及后續(xù)熱處理,制備了新型Li4Ti5O12納米片自組裝空心微球。所合成的微球直

4、徑約400 nm,球體內(nèi)中空,球殼由厚度約2-5 nm的Li4Ti5O12納米片組成。通過考察分級結構空心微球的形成過程,提出其形成過程中可能存在著柯肯達爾效應(Kirkendall effect)。由于空心結構有利于離子快速傳輸,該結構Li4Ti5O12展現(xiàn)了更為優(yōu)異的倍率性能和較高的容量,即使在50 C倍率下材料的放電容量仍可達到131 mAhg-1,顯示出應用于高功率鋰離子電池的潛力,值得期待。
　　 以水合二氧化鈦微球作

5、為前驅(qū)體,通過乙醇-水混合溶劑熱以及后續(xù)熱處理制備了介孔Li4Ti5O12微球,討論了介孔微球的形成機理。研究了反應體系中乙醇含量對樣品形貌的影響,結果表明:當溶液中乙醇含量低于30％,難以得到形貌均一的介孔Li4Ti5O12微球。將介孔Li4Ti5O12微球用于鋰離子電池,研究了該結構Li4Ti5O12的充放電倍率性能。與微米級Li4Ti5O12顆粒相比,介孔Li4Ti5O12微球不僅倍率性能優(yōu)異,30 C倍率下的放電容量為114 m

6、Ahg-1,而且具有非常好的容量保持率,在20 C倍率下200次循環(huán)后容量仍保持在125mAhg-1左右,容量保持率接近100％。
　　 通過將H2O2引入反應體系,在低堿性溶液中,水熱制備了鈦酸鈉納米管自組裝空心微球。水熱后的鈦酸鈉用稀鹽酸中和后,可得到相似結構的鈦酸。進而以鈦酸為反應前驅(qū)物,通過直接熱處理或水熱鋰離子交換反應得到TiO2納米管和Li4Ti5O12納米管的自組裝空心微球。將材料用于鋰離子電池,研究了納米管自組裝