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尖晶石型Li4Ti5O12是一种“零应变”负极材料,它被认为是最具前景的动力锂离子电池负极材料之一。然 Li4Ti5O12较低的电导率限制了它的实际应用。本文通过对其进行不同价态元素的掺杂改性,以提高 Li4Ti5O12材料的高倍率性能和循环性能,并研究了低电位下的电化学行为(截止电压为0 V vs. Li+/Li)。 本文采用高温固相法合成了Mo6+掺杂 Li4Ti5O12的材料,结果表明:Mo6+的掺杂有效地提高了材料的放电比容量,0.1 C时,Li4Ti4.8Mo0.2O12的首次放电比容量高达356.6 mAh·g-1;Li4Ti4.9Mo0.1O12和Li4Ti4.85Mo0.15O12在6 C下循环100次后的可逆比容量分别为210.8、199.4 mAh·g-1,在高倍率循环过程中表现出了比 Li4Ti5O12高的比容量。但随着掺杂量的增加,循环性能却逐渐降低。 温度对嵌锂动力学影响的结果表明,随着温度的升高,Li4Ti5O12电极的电荷转移阻抗逐渐减小,锂离子扩散系数增大,电导率增加。锂离子扩散的表观活化能小于电荷转移的表观活化能,推断电池温度的变化可能对 Li4Ti5O12电极反应过程中的电荷转移影响较大。 随着 La3+掺杂量的增加,Li4Ti5-xLaxO12的晶胞体积逐渐增大,粒径减小,少量掺杂的Li4Ti4.95La0.05O12展示了最优秀的循环性能和倍率性能,而 Li4Ti5O12在循环过程容量下降程度相对较大。在0.5 C循环30次后,前后二者的容量保持率分别为99.96％、94.81%;在大倍率5 C、100次循环后,可逆比容量分别为201.3、189.9 mAh·g-1。CV和EIS表明 La3+的掺杂有利于Li+的可逆脱嵌和电导率的提高。 Zn2+的掺杂导致晶胞体积变小,粒径变小。随着 Zn2+量的增加,首次放电比容量逐渐增加,倍率性能越好,1.5 V处的放电平台延长,且较多的掺杂量没有影响到循环稳定性。0.5 C时,Li4Ti5-xZnxO12(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2)的首次放电比容量分别为236.3、265.6、254.8、265.8、271.6 mAh·g-1,循环30次后的容量持有率均高于纯样。其中 Li4Ti4.8Zn0.2O12在高倍率下表现出了最优秀的电化学性能。 Ag改性的研究表明:适量 Ag改性时,几乎未改变材料的晶胞常数,且 Ag+未进入晶格内部。电化学测试表明,Ag的改性降低了电荷转移阻抗,提高了锂离子扩散系数和可逆性。但只有适量改性可以提高放电比容量,3 wt.%的Li4Ti5O12/Ag复合材料具有最优秀的放电容量,其在3 C下循环60次后仍有202.3 mAh·g-1的容量,且在循环过程中具有比 Li4Ti5O12高的能量密度和平台保持能力。