水热合成锂离子电池负极材料钛酸锂的结构及性能研究

论文摘要

钛酸锂作为近年来研究较热的锂离子电池负极材料之一,具有零应变效应、平稳的充放电平台、良好的循环稳定性等特点。但钛酸锂本身导电率偏低、比容量较低的缺点也制约了其大规模应用,而不同的形貌是影响电极材料在使用过程中锂离子的嵌入活性和循环稳定性的重要因素。因此作为锂离子电池的负极材料,规则的形貌、结构和颗粒尺寸对于钛酸锂来说是十分必要的。本文采用水热法,分别制备了介孔钛酸锂微球和钛酸锂纳米线,研究并优化了在制备过程中的工艺参数。采用XRD、SEM、TEM、比表面积及粒度分析等多种方法对样品性能进行了表征,并对合成样品进行恒流充放电测试,研究了样品的充放电容量、循环性能,初步探讨了钛酸锂介孔微球和纳米线行成机理。以钛酸四丁酯、无水乙醇和LiOH为原料,制备了尖晶石结构的介孔钛酸锂微球,研究了氢氧化锂用量、水热时间、热处理温度对样品性能的影响,并探讨了其合成机理。结果表明：当0.2g水解产物与2.55mmol LiOH·H2O反应时,得到纯相样品；当180℃下水热36h时,样品颗粒几乎全部为球形,体积平均粒径约在400-600nm之间；样品具有平稳的充放电平台,当热处理为温度700℃时,样品在0.1C倍率下首次放电比容量为148.3mAh/g,经过10次循环后,其放电比容量保持为132.5mAh/g,容量保持率为89.3%。钛酸锂微球的BET比表面积约为17.19m2/g,BJH总孔容为0.037cm3/g,平均孔直径为1.68nm,介孔含量约为92%；钛酸锂微球的行成过程可能为：在KCl存在的条件下,钛酸丁酯在水解的时候形成了水合TiO2微球,经过水热反应,Li+与水合TiO2微球中阳离子发生置换反应,形成Li-Ti-H-O系统,最后经过热处理形成Li4Ti5O12微球。以TiO2粉体、NaOH、HCl和LiOH为原料,制备了钛酸锂纳米线。研究了水热温度、水热时间对钛酸纳米线形貌的影响,研究了LiOH浓度、热处理温度对钛酸锂纳米线性能的影响,并初步探讨了钛酸锂纳米线的合成机理。结果表明：当水热温度为180℃、水热时间为48h时,钛酸纳米线尺寸均一,纳米线的直径大约在80nm-200nm,长度约在6-8μm；最佳的的LiOH浓度为0.2mol/L,热处理温度500-600℃为宜,此时钛酸锂纳米线的直径为100-300nm,长度约为2-4μm,样品的尺寸随着热处理温度的升高而降低；当热处理温度为500℃时,样品首次放电容量为143.4mAh/g,首次充电容量为141.4mAh/g, Coulomb效率为98.6%；钛酸锂纳米线的比表面积为13.864m2/g,总孔容为0.039cm3/g；钛酸锂纳米线可能的形成过程为：在水热过程中,TiO2粉体与NaOH反应生成钛酸钠纳米线,在稀HCl的浸泡下进行离子交换形成钛酸纳米线,最后经过水热和热处理过程形成钛酸锂纳米线。

论文目录

摘要

Abstract

前言

1 文献综述

1.1 锂离子电池简介

1.1.1 锂离子电池的发展历史

1.1.2 锂离子电池的工作原理

1.2 负极材料的研究现状

1.2.1 碳负极材料

1.2.2 锡基负极材料

1.2.3 硅基负极材料

1.2.4 氧化物负极材料

4Ti₅O₁₂的研究现状'>1.3 Li₄Ti₅O₁₂的研究现状

4Ti₅O₁₂的结构和性能'>1.3.1 Li₄Ti₅O₁₂的结构和性能

4Ti₅O₁₂的制备方法'>1.3.2 Li₄Ti₅O₁₂的制备方法

4Ti₅O₁₂存在的问题及解决方法'>1.3.3 Li₄Ti₅O₁₂存在的问题及解决方法

4Ti₅O₁₂的应用'>1.3.4 Li₄Ti₅O₁₂的应用

1.4 选题意义和研究内容

1.4.1 选题意义

1.4.2 研究内容

2 实验方法

2.1 引言

2.2 主要实验原料

2.3 主要实验仪器

2.4 材料的合成

2.4.1 介孔钛酸锂微球的制备

2.4.2 钛酸锂纳米线的制备

2.5 材料的表征

2.5.1 X射线衍射分析

2.5.2 SEM分析

2.5.3 TEM分析

2.5.4 粒度分析

2.5.5 比表面积和孔径分布分析

2.5.6 元素分析

2.5.7 电化学测试

3 介孔钛酸锂微球的制备与性能研究

3.1 引言

3.2 实验过程

3.3 结果与讨论

3.3.1 氢氧化锂用量优化

3.3.2 水热时间的优化

3.3.3 热处理温度的优化

3.3.4 样品电化学性能分析

3.3.5 介孔钛酸锂微球形成机理探讨

3.4 本章小结

4 钛酸锂纳米线的制备与性能研究

4.1 引言

4.2 实验过程

4.3 结果与讨论

4.3.1 钛酸纳米线的合成条件优化

4.3.2 钛酸锂纳米线的合成条件优化

4.3.3 样品电化学性能分析

4.3.4 钛酸锂纳米线形成机理探讨

4.4 本章小结

5 结论

参考文献

个人简历

致谢

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