高性能锂离子负极材料钛酸锂的制备及电化学性能研究课件.ppt

1、高性能锂离子负极材料钛酸锂的制备及电化学性能研究报告内容报告内容课题背景和选题依据课题背景和选题依据1.高性能纯相高性能纯相Li4Ti5O12的合成的合成2.甘油辅助水热法合成甘油辅助水热法合成Li4Ti5O123.总结总结4.锂离子电池材料技术的发展对当代社会进步具有重要的意义移动通信笔记本电脑EV（纯动力车）HEV（混合动力车）航天 潜艇军事武器消费型电池消费型电池动力电池动力电池军用电池军用电池锂离子电池：清洁、安全、能量密度高锂离子电池：清洁、安全、能量密度高日趋严峻的能源问题和环境问题日趋严峻的能源问题和环境问题研究背景研究背景1.不易形成SEI膜，安全性好2.充放电过程体积膨胀很小

2、，循环性能好1.电压平台高（1.55V），理 论容量(175mAh/g)较低2.电子电导率（10-9 S/cm），锂离子扩散系数（10-8 cm2/s），倍率性能不好Li4Ti5O12材料简介材料简介课题背景课题背景Li4Ti5O12材料的改性材料的改性改性目的提高材料的倍率性能1.提高电子导电率：碳包覆、高导电金属粒子包 覆、离子掺杂等2.提高锂离子传导率：将材料纳米化J.Lim,E.Choi,J.Kim.J.Electrochem.Soc.,2011,158,(3),A275-A281国内外研究状况国内外研究状况121 H.G.Jung,S.T.Myung,Y.K.Sun.Energy E

3、nviron.Sci.,2011,4,1345.2 B.H.Li,C.P.Han,Y.B.He,C.Yang,H.D.Du,Q.H.Yang,F.Y.Kang,Energy Environ.Sci.2012,5,9595.选题依据1 G.J.Wang,J.Gao,L.J.Fu,N.H.Zhao,Y.P.Wua,T.Takamura,J.Power Sources 2007,174,1109.2 Y.J.Hao,Q.Y.Lai,Z.H.Xu,X.Q.Liu,X.Y.Ji,Solid State Ionics 2005,176,1201.3 L.F.Shen,C.Z.Yuan,H.J.Luo,X.

4、G.Zhang,K.Xua,Y.Y.Xia,J.Mater.Chem 2010,20,6998.4 C.Lai,Y.Y.Dou,X.Li,X.P.Gao,J.Power Sources 2010,195,3676.容易产生杂质相容易产生杂质相1432选题依据选题依据选题意义和目的研究问题研究目的合成具有优异电化学性能的纯相Li4Ti5O12材料，且合成方法较简便，具有可应用性u如何合成高性能Li4Ti5O12材料：探索新的合成方法u如何合成高纯度Li4Ti5O12材料：严格控制Li/Ti的配比等条件2 高性能纯相高性能纯相Li4Ti5O12的合成的合成优化合成方法高温固相法溶胶-凝胶法 水热法

5、研究重点材料纯度电化学性能优化条件优化条件1.合成温度2.原料Li/Ti配比 材料纯度3.混料方法4.锂源的选择 电化学性能高温固相法1.合成温度2.原料Li/Ti配比1.合成温度2.原料Li/Ti配比溶胶-凝胶法水热法温度、温度、Li/Ti配比配比高温固相法温度的影响Li/Ti配比的影响850 下不同下不同Li/Ti配比配比合成合成Li4Ti5O12的的XRD图图不同温度下制备不同温度下制备Li4Ti5O12的的XRD图图最佳烧结温度：850 和最佳Li/Ti配比：0.84混料方法、锂源选择混料方法、锂源选择高温固相法混料方法的影响不同锂盐为原料两种不同混料方法合成两种不同混料方法合成Li4

6、Ti5O12的的XRD图图两种锂盐为原料合成两种锂盐为原料合成Li4Ti5O12的的XRD图图原料混合的均匀程度对产物纯度有重要影响以LiOH为锂盐材料性能更佳电化学性能及形貌电化学性能及形貌锂盐：锂盐：A（LiOH），），B（Li2CO3）LiOH为锂盐制备为锂盐制备Li4Ti5O12的的循环性能循环性能图图高温固相法PEO为表面活性剂Li4Ti5O12/Li3PO4溶胶溶胶-凝胶法凝胶法不同不同Ti/Li配比水热法合成配比水热法合成Li4Ti5O12的的XRD图图500 样品的样品的SEM图像图像水热法水热法电化学性能电化学性能水热法500 样品在样品在1 C-20 C下的下的倍率性能图倍

7、率性能图500 样品在样品在0.1 C-20 C下的首下的首周充放电曲线图周充放电曲线图水热法制备的Li4Ti5O12材料具有很好的倍率性能方法方法 焙烧温度焙烧温度 T/粒径大小粒径大小/nm比容量（比容量（0.1 C）/mAh g-1比容量（比容量（1 C）/mAh g-1高温固相法高温固相法850400-500172141溶胶溶胶-凝胶凝胶法法800100-20013285水热法水热法500100157152三种方法合成三种方法合成Li4Ti5O12最佳最佳条件及性能比较条件及性能比较水热法更适于合成高倍率性能的Li4Ti5O12材料三种方法比较三种方法比较本章小结本章小结 本章采用三种

8、方法合成纯相，从材料的纯度和电化学性能两方面评价和优化了各种方法。采用高温固相法合成Li4Ti5O12时，烧结温度、Li/Ti配比、混料方式和锂盐的选择都对最终产物的纯度和电化学性能有影响。采用溶胶-凝胶法、水热法合成Li4Ti5O12时，Li/Ti配比、烧结温度对最终材料的纯度和电化学性能有很大影响。水热法制备的Li4Ti5O12材料具有很好的倍率性能，水热法更适于合成高倍率性能的Li4Ti5O12材料。3 甘油辅助水热法合成甘油辅助水热法合成Li4Ti5O12研究方案及目标调控材料的形貌，形成规则的纳米材料进一步提高材料的电化学性能实验方法流程图水热前驱体水热前驱体水热前驱体的水热前驱体的

9、TEMTEM图：（图：（a a）无甘油；（）无甘油；（b b）含甘油）含甘油水热前驱体水热前驱体水热前驱体的水热前驱体的TG-DSC图图水热前驱体的水热前驱体的XRD图图JCPDS 47-0123，层状结构化学式：Li1.81H0.19Ti2O52H2O前驱体进一步烧结前驱体进一步烧结Li/Ti配比的影响温度的影响不同温度下合成不同温度下合成Li4Ti5O12的的XRD图图不同不同Ti/Li比例下合成比例下合成Li4Ti5O12的的XRD图图SEM图像图像不同温度下合成不同温度下合成LiLi4 4TiTi5 5O O1212的的SEMSEM图：（图：（a a）S-500S-500；（b b）G

10、-500G-500；（；（c c）G-600G-600；（；（d d）G-700G-700TEM图像图像不同温度下合成不同温度下合成LiLi4 4TiTi5 5O O1212的的TEMTEM图：（图：（a a）S-500S-500；（b b）G-500G-500；（；（c c）G-600G-600；（；（d d）G-700G-700甘油作用机理的探究甘油作用机理的探究甘油具有弱酸性、配位作用、强的氢键作用水热处理前溶液的状态变化：（水热处理前溶液的状态变化：（a a）无甘油；（）无甘油；（b b）添加甘油。）添加甘油。从左到右从左到右LiOHLiOH的加入量分别：未加入、加入一半量、完全加入。

11、的加入量分别：未加入、加入一半量、完全加入。电化学性能电化学性能0.1 C20 C下充放电曲线G-500S-5001 C20 C下的倍率性能5 C下的循环性能每循环100周的放电容量电化学阻抗测试电化学阻抗测试EIS测试模拟所得数据测试模拟所得数据22442222CFnATRDLi本章小结本章小结 本章采用甘油辅助的水热法成功合成了高性能的Li4Ti5O12材料，得到的结论如下所示：甘油和Ti4+之间存在强相互作用，添加甘油作为改性剂，可以改善了材料的形貌。合成过程中，Li/Ti配比、烧结温度对最终材料的纯度和电化学性能有很大影响。甘油辅助水热法制备的Li4Ti5O12 表现出优异的电化学性能

12、，在20 C的高倍率下容量可以达到155 mAh g-1，5 C 下循环500 周后，放电容量仍可以达到154 mAh g-1，容量保持率为93.3%。4 结论结论 采用高温固相法、溶胶-凝胶法、水热法合成Li4Ti5O12时，烧结温度、Li/Ti配比、混料方式和锂盐的选择都对最终产物的纯度和电化学性能有影响；通过严格控制Li/Ti比例，可以得到高纯的Li4Ti5O12材料；优化后的水热法制备的Li4Ti5O12材料具有很好的倍率性能，水热法更适于合成高倍率性能的Li4Ti5O12材料。甘油和Ti4+之间存在强相互作用，添加甘油作为改性剂，可以改善了材料的形貌；合成过程中，Li/Ti配比、烧结温度对材料的纯度和电化学性能有很大影响；甘油辅助水热法制备的Li4Ti5O12 表现出优异的循环性能和高倍率性能。