论文部分内容阅读
尖晶石型的Li4Ti5O12是一种零应变嵌锂材料,具有优异的循环性能。其氧化还原电位相对较高,可以有效地避免金属锂的析出。另外,Li4Ti5O12还具有热稳定性好、原料来源广泛、价格低廉等优点,是一种极具应用潜力的高功率动力锂离子电池负极材料。但是,Li4Ti5O12的电子导电率和离子导电性较低,极大地限制了其实际应用。本论文采用导电聚合物PEDOT包覆、Ti3+自掺杂以及与石墨烯复合制备自支撑电极等方法,改善Li4Ti5O12材料的倍率性能,具体研究内容如下:(1)通过水热法制备Li4Ti5O12纳米棒,进一步通过液相化学聚合在其表面包覆高导电性的导电聚合物PEDOT。一维纳米棒结构能够有效地缩短材料中锂离子的扩散路径,增大电极和电解液之间的接触面积,促进锂离子在活性物质与电解液之间的传输。而PEDOT均匀的包覆能够在内部形成导电网络,提高材料的电子导电性。电化学测试结果显示,PEDOT包覆的Li4Ti5O12纳米棒(Li4Ti5O12/PEDOT)具有优异的电化学储锂行为,在10 C的大倍率下,Li4Ti5O12/PEDOT电极的放电容量可达135.2 m A h g-1;在1 C的电流密度下循环100次,其容量保持率高达99.5%。(2)以Ti2O3为原料,采用固相法制备得到Ti3+自掺杂的Li4Ti5O12材料,并研究了其结构对于电化学性能的影响。ESR、XRD、XPS等测试结果证明,在Ti3+自掺杂的Li4Ti5O12材料中半径较大的Ti3+取代了部分Ti4+,产生了Ti3+/Ti4+混合态位点和氧空位,提高了材料的电子导电性,并有利于离子的扩散和迁移。另外,Ti3+的掺杂并不会破坏Li4Ti5O12的结构,从而在保持材料优异的循环性能的同时有效地改善了其倍率性能。在20 C的大电流密度下,Ti3+自掺杂的Li4Ti5O12样品具有117.6 m Ah g-1的可逆容量;在10 C下循环500次,其容量保持率高达97.0%。(3)通过真空抽滤和后续热处理还原的方法将Li4Ti5O12纳米纤维与石墨烯复合,制备了类三明治结构的Li4Ti5O12/石墨烯(S-LTO-RGO)自支撑电极材料。Li4Ti5O12纳米纤维分布在石墨烯片层间,有效地阻止了石墨烯的团聚。高导电性的石墨烯和Li4Ti5O12纳米纤维形成三维导电网络,有效地促进了锂离子的扩散和电子的传输。另外,该自支撑电极材料在组装电池的过程中无需加入粘结剂、导电剂和集流体,降低了电池的内阻和极化。在10 C的大电流密度下,S-LTO-RGO自支撑电极具有131.7 m Ah g-1的可逆容量;在5 C下进行100次充放电循环,容量仅衰减1%。