锂离子电池具有省油和降低废气排放的潜力，近几年来，锂离子电池广泛应用于电动车和混合电动车。然而，采用碳材料或石墨为负极材料的商业用锂离子电池，长久以来一直存在着潜在的安全隐患。传统的碳材料在嵌锂终端电压几乎接近于0V，因此在快充或过充的过程中，锂枝晶生成并沉积在碳材料表面，其易引起电池内部短路和电池爆炸。为解决现代锂离子电池技术的这一局限，有必要开发一种具有较高嵌锂电势的负极材料。
尖晶石型钛酸锂已成为锂离子电池应用中极具前景的负极材料。与传统的商业化碳负极材料相比，钛酸锂具有较高的嵌锂电势，相对于金属锂而言，其工作电压约为1.55V，能够阻止电极表面电解液被还原。而且，作为零应变嵌锂材料，钛酸锂在充放电过程中具有优越的可逆性，结构稳定性和卓越的锂离子迁移率。因此，钛酸锂具有较好的循环性能和安全性能。尽管钛酸锂具有上述诸多优点，但是钛酸锂的电子电导率很低，限制了其商业应用。
本文主要从两个方面提高钛酸锂的电子电导率，一是采用水溶性高分子作碳源对纯钛酸锂进行碳包覆，二是采用金属离子对纯钛酸锂进行Li位或Ti位掺杂。主要的研究结果如下:
1.利用水溶性高分子-聚乙烯醇(PVA)为碳源，采用高温固相法对钛酸锂进行碳包覆，制备了Li4Ti5O12/C复合材料。XRD数据表明，PVA的加入缩小了Li4Ti5O12的晶胞参数，而且并没有影响Li4Ti5O12晶体的主体结构。SEM图像表明，加入PVA的钛酸锂经高温烧结后，具有光滑的球形表面，粒子小且粒径分布窄。0.5C倍率下，复合物的初始放电容量为141 mAh/g，120个循环后，容量为104.9 mAh/g，容量衰减大，降低25.6％。
2.采用水溶性聚合物-聚乙二醇(PEG)作为有机碳源，高温固相反应条件下对纯钛酸锂进行碳包覆，制备了Li4Ti5O12/C复合材料。XRD数据表明，PEG的加入缩小了Li4Ti5O12的晶胞参数，且并没有影响Li4Ti5O12的主体晶体结构。SEM图像表明，PEG的加入并没有改变钛酸锂的形貌，平均粒径在400nm左右，且粒径分布较宽。2C倍率下，复合物的初始放电容量为128.2 mAh/g，450个循环后，容量为95.3 mAh/g，容量衰减大，降低25.7％。1C倍率下，复合物的初始放电容量为136mAh/g，70个循环后，容量为125.1 mAh/g，下降8％左右。
3.利用软化学法-溶胶凝胶法对钛酸锂在Li位进行Al3+掺杂的复合材料Li3.9Al0.1Ti5O12。SEM图像表明，经过高温煅烧后，粒子易团聚。Li3.9Al0.1Ti5O12的XRD中并未出现杂峰，与标准谱图(No.26-1198)一致。
4.对钛酸锂在Ti位进行V5+掺杂，高温固相反应条件下合成复合化合物Li4Ti4.9V0.1O12。经Jade5对所得XRD数据计算表明，V5+的加入缩小了Li4Ti5O12的晶胞参数，且没有影响Li4Ti5O12的主体晶体结构。SEM图像分析表明，掺杂V5+后，粒径减小，在330nm以下。掺入V5+后的钛酸锂在电化学性能上有很大的改善，高倍率下容量大大提高且容量保持率高。
- 作 者：
- 于子佳
- 学科专业：
- 物理化学
- 授予学位：
- 硕士
- 学位授予单位：
- 东北师范大学
- 导师姓名：
- 王荣顺
- 学位年度：
- 2011
- 研究方向：
- 语 种：
- chi
- 基金项目：
