论文部分内容阅读
具有高功率和高能量密度的可充电锂离子电池是手提电子设备和电动汽车的优异的能源。钛酸锂Li4Ti5O12(LTO)有零应变晶体结构，因此有理由被认为是一种长寿命，安全性好的阳极材料。然而，这种材料本身的导电率(10-13 S cm-1)和锂离子扩散系数(10-910-13 cm2 s-1)相当低，所以限制了它实现高倍率的性能。本论文通过制备氮化钛酸锂介孔球和介孔钛酸锂/石墨烯复合物改善了锂离子扩散和电子转移的效率，实现了高倍率的应用。文中采用场发射扫描电镜(FESEM)表征了样品的形貌，采用高分辨透射电镜(HR-TEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析了材料表面包覆层的成分。把这些材料组装成标准CR2032型纽扣电池后进行了电化学实验。通过测试循环伏安(CV)，电化学阻抗检测材料的导电性，通过恒电流充放电试验测试了电池的循环性和倍率性。主要结果如下: (1)氮化钛酸锂介孔球:通过简单氨气处理钛酸锂方法合成了氮化钛酸锂介孔球，其中钛酸锂来源于介孔二氧化钛和二水乙酸锂在聚乙二醇20000存在的条件下的固相反应。碳化的聚乙二醇能够有效地限制初级颗粒长大，利于锂离子在固相反应中扩散进纳米尺寸的二氧化钛晶格中，形成纯相钛酸锂。随后的热氮处理之后，一个薄的高导电性TiOxNy层在初级纳米颗粒的表面原位生成。结果是，氮化的钛酸锂介孔结构，拥有更短的锂离子扩散路径和更好的导电性，展示了显著提高的倍率性能，在1-3V的电压范围下，10C倍率下放电容量能达到138 mAhg-1，20 C倍率下能达到120 mAh g-1。这样突出的倍率和循环性能主要归因于导电性TiOxNy纳米层在钛酸锂表面产生的有利界面和高效混合传输网络。 (2)介孔钛酸锂/石墨烯复合物：通过温和的静电组装的方法获得了介孔钛酸锂/石墨烯复合物，可以用作锂离子电池的高倍率负极材料。石墨烯片和钛酸锂球强烈的依附在一起，因此能够在电极里形成一个高效的导电网络来加速充放电过程。钛酸锂/石墨烯复合物的放电容量在20 C倍率下能提高到124 mAh g-1比碳包覆钛酸锂电极高两倍。钛酸锂/石墨烯纳米复合物展示了高的可逆容量和突出的倍率性能，是由于石墨烯的高导电性，大表面积，柔韧性和介孔钛酸锂高稳定性的协同作用。这种静电组装方法容易加工，易于大规模生产，可以扩展到任意锂离子电池材料，为各种高倍率锂离子电池材料提供了一种新的生产途径。