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能源是制约经济发展的重要因素。锂离子电池作为“绿色能源”的代表,进入了高速发展期。锂离子电池以其能量密度高,安全性高,循环寿命长,无污染等优点已经逐步占据电池市场。电极材料对锂离子电池性能起着决定性的因素。作为锂离子电池负极材料Li4Ti5012,具有“零应变”尖晶石型结构,具备循环寿命长和安全性高等优点,是新一代动力型锂离子电池的理想负极材料之一。但因Li4Ti5O12电子导电性差,导致在大电流充放电时极化严重,容量衰减较快,这严重的制约了 Li4Ti5O12的应用。本文旨在通过减小Li4Ti5O12粒径和提高其导电性,来改善其高倍率性能和循环稳定性。首先通过以有序介孔碳CMK-3为模板制备纳米颗粒Li4Ti5012,以减小材料粒径,缩短锂离子传递路径,增加Li4Ti5O12与电解液的接触面积为目标,获得以CMK-3为导电网络,倍率性能优的Li4Ti5012/CMK-3纳米复合材料。其次通过掺杂Sr和Zr离子,以掺杂阳离子减小颗粒粒径,增加Li4Ti5O12的晶格参数,扩充锂离子传递路径为目标,获得倍率性能优的Li4Ti5O12材料。最后通过以六次甲基四胺(C6H12N4),壳聚糖(C6H11N204)和苯二胺(C6H4(NH2)2)为碳氮源,以包覆材料改善Li4Ti5O12导电性为目标,获得表面具有导电网络,倍率性能优的Li4Ti5O12材料。研究了液相浸渍法制备Li4Ti5O12/CMK-3纳米复合材料,发现Li4Ti5O12分布在载体有序介孔碳CMK-3孔道中和表面,平均颗粒大小约为50nm。Li4Ti5O12/CMK-3纳米复合材料电极在0.5 C充放电过程中,放电比容量为171 mAh·g-1,接近理论容量175 mAh·g-1。通过与商品Li4Ti5O12电极进行对比,Li4Ti5O12/CMK-3复合材料在5 C和10 C时放电比容量分别为131和99 mAh·g-1,商品Li4Ti5O12分别只有77和48 mAh·g-1,制备的Li4Ti5O12/CMK-3复合材料倍率性能明显好于商品化的Li4Ti5O12,而与除去CMK-3 的 Li4Ti5O12相比,Li4Ti5O12/CMK-3 复合材料和除去CMK-3的Li Ti5O12在 1 C时的放电比容量分别为143和117.8 mAh·g-1,由此可见,CMK-3在复合材料中不仅起到模板作用,同时还起到构建导电网络作用。Li4Ti5O12/CMK-3纳米复合材料对于Li+嵌入/脱出存在不对称行为,而且其脱锂能力强于嵌锂能力。Li4Ti5O12/CMK-3纳米复合材料电极具有较好的循环稳定性,在所有循环中,库伦效率基本保持在100%;在0.5 C时,首次放电比容量为174 mAh·g-1,经过100次循环后,放电比容量为160 mAh·g-1,容量损失为8%;在随后1C,2 C,5 C和10 C充放电时,经过100次循环后,容量损失分别为0.39%,0.07%,0.62%和4%。研究了高温固相法制备Sr2+掺杂的Li4Ti5O12,发现Sr2+掺杂减小了 Li4Ti5O12的颗粒,颗粒分布高度分散,增加了 Li4Ti5O12的晶格参数,减小了 Li4Ti5O12的电荷传递电阻,有效地提高了材料的倍率性能,适量的Sr2+掺杂量有助于提高Li4Ti5O12的整体电化学性能。Sr与Ti原子比为0.02时,电化学性能最好,在5 C时,放电比容量可达到104.1 mAh·g-1,是纯相Li4Ti5O12放电比容量的1.62倍。在Sr2+掺杂的Li4Ti5O12材料中,可以发现少量的SrLi2Ti6014,对Li4Ti5O12的充放电也有积极的影响。研究了高温固相法制备Zr4+掺杂的Li4Ti5O12,发现Zr4+掺杂减小了 Li4Ti5O12的颗粒,颗粒分布高度分散,增加了 Li4Ti5O12的晶格参数,在低倍率充放电有效地提高了材料的倍率性能。Zr与Ti原子比为0.03时,电化学性能最好,在0.5,1,2和5 C充放电倍率下,放电比容量分别为:165.7,136.1,98.6和70.8 mAh·g-1,而纯相LTO放电比容量分别为:145.3,110.2,86.6和64.3 mAh·g-1 Zr与Ti原子比为0.03时的放电比容量明显比纯相LTO的高。研究了高温固相法以六次甲基四胺为碳氮源对Li4Ti5O12进行表面碳和氮共包覆。发现包覆后C和N在Li4Ti5O12表面均匀分布。当碳氮源与Li4Ti5O12质量比为1:40,反应温度为800 ℃和反应时间为30 min时,得到的碳和氮共包覆的Li4Ti5O12样品具有最好的电化学性能,在1C,2 C,5 C,10 C,15 C和20 C时,放电比容量分别为169.3,161.2,133.3,109.1,80.7 和 55.5 mAh·g-1 远高于纯相 Li4Ti5012 的放电比容量(分别只有:147.4,129.8,77,45.3,33和24.7 mAh·g-1)。在大倍率循环时,容量保持率较高,在10 C时,经过100次循环后,容量保持率为99.8%,高的容量保持率可归因于高导电性TiN的形成和C包覆层更加牢固,材料Li4Ti5O12的稳定性更强。研究了高温固相法以壳聚糖为碳氮源对Li4Ti5012进行表面碳和氮共包覆。发现包覆后的样品含有碳和氮,且颗粒分布比较均匀,Li4Ti5O12结构未受影响。当碳氮源与Li4Ti5012质量比为1:40,得到的碳和氮共包覆的Li4Ti5O12样品具有最好的电化学性能,在1 C,2 C和5 C的放电比容量分别为160.8,146.9和101.5 mAh·g-1,而纯相LTO的放电比容量分别只有147.4,129.8和77mAh·g-1。碳氮源与Li4Ti5012质量比为1:40的样品在所有倍率下的的充放电平台都比纯相Li4Ti5O12的要平坦,经过100次循环,在2 C和5 C下容量保持率分别为98%和99%,说明以适量的壳聚糖为碳氮源进行包覆,可提高Li4Ti5O12的倍率性能和循环性能。研究了高温固相法以苯二胺为碳氮源对商品化的Li4Ti5O12进行表面碳和氮共包覆。发现碳氮存在于Li4Ti5O12表面,且颗粒分布比较均匀,碳氮的加入没有影响Li4Ti5O12结构。当碳氮源与Li4Ti5O12质量比为1:35,得到的碳和氮共包覆的Li4Ti5O12样品具有最好的电化学性能,在1C,2C,5 C和10C充放电时的放电比容量分别为170.2,165.7,145.8,133.5和114.8 mAh·g-1。在各个倍率测试时,充放电效率接近100%。经过100次循环后,碳氮源与Li4Ti5O12质量比为1:35的样品在2 C,5 C和10 C充放电时的容量损失率分别为6.7%,4.2%和6.5%,说明以适量的苯二胺为碳氮源进行包覆,可制备出倍率性能优异和循环性能较好的Li4Ti5O12。