离子掺杂钛酸锂负极材料的输运特性及电化学性能研究

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锂离子电池负极材料钛酸锂(Li4Ti5O12)拥有长循环寿命和高安全稳定性等诸多优点,但其较低的电导率导致了材料本身在较高充放电倍率下低下的电化学性能,这严重制约了其在储能领域的应用。通过优化的球磨辅助固相法制备高纯度Li4Ti5O12纳米材料,系统研究了煅烧温度、球磨时间等变量对Li4Ti5O12材料输运特性及电化学性能的影响以得出最优的制备条件。并进一步通过对Li4Ti5O12材料进行钇离子与铈离子掺杂,来提升Li4Ti5O12材料的输运特性及其高充放电倍率下的电化学性能。采用Li2CO3与TiO2为原料,通过球磨辅助固相法制备Li4Ti5O12负极材料。研究结果表明:当煅烧温度为900℃、烧结时间为12h、球磨时间为6h条件下合成的Li4Ti5O12本征样品纯度最佳,其离子电导率σi和电子电导率σe分别为5.07×10-8S/cm和2.71×10-10S/cm,表现出优异的输运特性。Li4Ti5O12样品在0.1C倍率下首次放电拥有154m Ah/g的比容量,0.1C倍率循环50次后容量衰减仅为4.2%,展现良好的电化学性能。在上述的最佳条件下选用Y3+为掺杂元素,采用球磨辅助固相法合成了Li4Ti5-xYxO12(x=0,0.05,0.1,0.15,0.2)负极材料。研究结果表明:Y3+掺杂没有影响Li4Ti5O12负极材料的结构,x=0.15时,Li4Ti4.85Y0.15O12样品的离子与电子电导率分别为2.68×10-7S/cm和1.49×10-9S/cm,表现出良好的输运特性。电化学测试表明,Li4Ti4.85Y0.15O12样品在0.1C倍率首次放电比容量可达171m Ah/g,且在10C与20C高倍率下仍然拥有102m Ah/g和79m Ah/g的比容量,表现出良好的倍率性能。在Li4Ti5O12本征样品最佳条件下选用Ce3+为掺杂元素,采用球磨辅助固相法合成了Li4Ti5-xCexO12(x=0、0.05、0.1、0.15、0.2)负极材料。研究结果表明:Ce3+掺杂没有影响Li4Ti5O12材料的尖晶石结构,x=0.1时,Li4Ti4.9Ce0.1O12样品的离子与电子电导率分别为2.09×10-7S/cm与1.24×10-9S/cm,表现出良好的输运特性。电化学测试表明,Li4Ti4.9Ce0.1O12样品在0.1C倍率首次放电比容量可达166m Ah/g,且在10C与20C高倍率下仍然拥有97m Ah/g和75m Ah/g的比容量,表现出良好的倍率性能。
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