论文摘要
“零应变”结构的尖晶石型Li4Ti5O12材料具有循环性能好、可逆性能好、安全性能好、可进行大倍率充放电的优异性能，且高温制备工艺简单，成本低和环境特性良好，被视为最具应用前景的一种锂离子电池负极材料，但该材料电子导电率和离子导电率均比较低，大倍率充放电性能差。本文采用高温固相法合成了Li4Ti5O12负极材料，优化了合成工艺，通过离子掺杂和碳包覆进行了改性研究，并对废旧Li4Ti5O12/Li电池进行了回收工艺的初步探索。首先，考察了锂源、烧结温度、锂钛比对高温固相法制备Li4Ti5O12材料性能的影响。结果表明，以Li2CO3和TiO2为原料，650℃烧结14h，Li:Ti=0.86时能获得性能最好的Li4Ti5O12材料。在优化工艺的基础上合成Li4Ti5O12，0.5C，1C，2C，3C，5C充放电时容量分别达到132mAh g-1，125 mAh g-1，119 mAhg-1，110 mAh g-1，90 mAh g-1，大倍率充放电时容量明显降低。其次，研究了金属离子掺杂对Li4Ti5O12结构、形貌和电化学性能的影响。结果表明，当V5+在钛位掺杂，x=0.04时得到的Li4Ti5-xVxO12材料颗粒尺寸细小、分布均匀，0.5C、1C、2C、3C、5C充放电时其比容量分别达到145mAh g-1、140 mAh g-1、130 mAh g-1、120 mAh g-1、100 mAh g-1，说明一定量V5+离子的掺杂改善了Li4Ti5O12材料的倍率性能。当Ti3+离子部分取代钛位Ti4+离子时，并没有提高材料的电化学性能，反而使其性能降低很多。当Na+在锂位掺杂，x=0.06时合成的Li3.94Na0.06Ti5O12其倍率性能比较好，3C充放电时其比容量仍可保持在120mAh g-1左右。此外，采用了蔗糖、活性炭、硬脂酸和柠檬酸四种碳源对Li4Ti5O12进行了碳包覆改性。结果表明，蔗糖添加量为Li4Ti5O12的5 mass%时，颗粒尺寸大小均匀，1C充放电时其比容量达到145mAh g-1。2C，3C，5C充放电时其比容量分别为120 mAh g-1，110 mAh g-1，90 mAh g-1；活性炭为碳源合成的Li4Ti5O12/C复合材料的颗粒尺寸比较大，电化学性能比较差；硬脂酸为碳源时，并不能提高材料的电子导电性，反而使其电化学性能下降很多；当柠檬酸的添加量为3 mass%时，0.5C充放电时比容量平均达到158mAh g-1，1C、5C放电时比容量分别保持在152mAh g-1、110 mAh g-1左右，大倍率充放电性能有了提高。最后，还探索了废旧锂离子电池中钛酸锂的回收和再利用。结果表明，经NaOH浸泡回收，并加入少量碳酸锂在650℃烧结7h处理的Li4Ti5O12材料0.5C充放电时，20次循环后达到80mAh g-1左右，1C充放电时材料的容量保持率比较好，20次循环内基本保持在75mAh g-1左右。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 序言1.2 锂离子电池概述1.2.1 锂离子电池的发展历史1.2.2 锂离子电池的工作原理1.2.3 锂离子电池回收现状1.3 锂离子电池电极材料1.3.1 锂离子电池正极材料1.3.2 锂离子电池负极材料1.3.3 锂离子电池电极材料的回收4Ti5O12 负极材料的研究进展'>1.4 尖晶石型Li4Ti5O12负极材料的研究进展4Ti5O12 材料的结构与电化学性能'>1.4.1 Li4Ti5O12材料的结构与电化学性能4Ti5O12 材料的合成方法'>1.4.2 Li4Ti5O12材料的合成方法4Ti5O12 材料存在的问题及改性研究'>1.4.3 Li4Ti5O12材料存在的问题及改性研究1.5 课题的主要研究内容第2章 实验材料与方法2.1 实验材料及器材2.1.1 实验材料2.1.2 实验器材4Ti5O12 材料的高温固相合成'>2.2 尖晶石型Li4Ti5O12材料的高温固相合成2.3 材料的物理性能表征2.3.1 失重-差热测试2.3.2 扫描电子显微镜观察2.3.3 X 射线衍射分析2.3.4 透射电镜观察2.3.5 电感耦合等离子体光谱分析仪2.4 电极材料的制备及电池组装4Ti5O12 电极材料的制备'>2.4.1 Li4Ti5O12电极材料的制备2.4.2 电池组装2.5 材料的电化学性能测试2.5.1 充放电性能测试2.5.2 电化学阻抗测试2.5.3 循环伏安测试4Ti5O12 高温固相工艺的研究'>第3章 尖晶石型Li4Ti5O12高温固相工艺的研究3.1 前言4Ti5O12 材料的高温固相合成'>3.2 尖晶石型Li4Ti5O12材料的高温固相合成4Ti5O12 材料的影响'>3.2.1 不同锂源对Li4Ti5O12材料的影响4Ti5O12 前躯体的TG-DSC 分析'>3.2.2 Li4Ti5O12 前躯体的TG-DSC 分析4Ti5O12 材料的影响'>3.2.3 烧结温度对Li4Ti5O12材料的影响4Ti5O12 材料的影响'>3.2.4 不同锂钛比对Li4Ti5O12材料的影响4Ti5O12 电极材料的影响'>3.2.5 涂覆面密度对Li4Ti5O12电极材料的影响4Ti5O12 的性能表征'>3.3 优化合成条件下合成的Li4Ti5O12的性能表征4Ti5O12 材料的结构形貌'>3.3.1 Li4Ti5O12材料的结构形貌4Ti5O12 材料的倍率性能'>3.3.2 Li4Ti5O12材料的倍率性能4Ti5O12 材料的循环性能'>3.3.3 Li4Ti5O12材料的循环性能4Ti5O12 材料的可逆性能'>3.3.4 Li4Ti5O12材料的可逆性能4Ti5O12 材料的交流阻抗测试'>3.3.5 Li4Ti5O12材料的交流阻抗测试3.4 本章小结4Ti5O12 的掺杂改性研究'>第4章 Li4Ti5O12的掺杂改性研究4.1 前言4Ti5-xVxO(12的改性研究'>4.2 Li4Ti5-xVxO(12的改性研究4Ti5-xVxO12 材料的合成与表征'>4.2.1 Li4Ti5-xVxO12材料的合成与表征4.2.2 不同V5+掺杂量对材料电化学性能的影响3+的掺杂改性'>4.3 Ti3+的掺杂改性4.3.1 合成材料的结构形貌4.3.2 合成材料的电化学性能4-xNaxTi5O12 的改性研究'>4.4 Li4-xNaxTi5O12的改性研究4-xNaxTi5O12 材料的结构形貌'>4.4.1 Li4-xNaxTi5O12材料的结构形貌4-xNaxTi5O12 材料的电化学性能'>4.4.2 Li4-xNaxTi5O12材料的电化学性能4.5 本章小结4Ti5O12/C 复合材料的制备及性能研究'>第5章 Li4Ti5O12/C 复合材料的制备及性能研究5.1 前言4Ti5O12/C材料的影响'>5.2 蔗糖包覆对Li4Ti5O12/C材料的影响4Ti5O12/C 结构形貌的影响'>5.2.1 蔗糖为碳源对Li4Ti5O12/C 结构形貌的影响4Ti5O12/C 电化学性能的影响'>5.2.2 蔗糖为碳源对Li4Ti5O12/C 电化学性能的影响4Ti5O12/C 材料的影响'>5.3 活性炭包覆对Li4Ti5O12/C 材料的影响4Ti5O12/C 形貌的影响'>5.3.1 活性炭为碳源对Li4Ti5O12/C 形貌的影响4Ti5O12 电化学性能的影响'>5.3.2 活性炭为碳源对Li4Ti5O12电化学性能的影响4Ti5O12/C 材料的影响'>5.4 硬脂酸包覆对Li4Ti5O12/C 材料的影响4Ti5O12/C 的结构形貌'>5.4.1 硬脂酸为包覆碳源合成的Li4Ti5O12/C 的结构形貌4Ti5O12/C 电化学性能的影响'>5.4.2 不同硬脂酸添加量对Li4Ti5O12/C 电化学性能的影响4Ti5O12/C 材料的影响'>5.5 柠檬酸包覆对Li4Ti5O12/C 材料的影响4Ti5O12/C 结构形貌的影响'>5.5.1 柠檬酸为包覆碳源对Li4Ti5O12/C 结构形貌的影响4Ti5O12/C 电化学性能的影响'>5.5.2 柠檬酸为碳源对Li4Ti5O12/C 电化学性能的影响5.6 本章小结4Ti5O12 材料的回收研究'>第6章 废旧电池中Li4Ti5O12材料的回收研究6.1 前言6.2 电极材料的处理4Ti5O12 材料'>6.2.1 氢氧化钠溶解法回收Li4Ti5O12材料4Ti5O12 材料'>6.2.2 NMP 溶解法回收Li4Ti5O12材料6.2.3 回收材料的再处理4Ti5O12 材料的溶解'>6.3 Li4Ti5O12材料的溶解4Ti5O12 材料的沉淀及性能表征'>6.4 Li4Ti5O12材料的沉淀及性能表征6.5 本章小结结论参考文献致谢
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