高功率锂离子电池用新型钠微分级结构Li4Ti5O12/Sn负极材料

实现高功率化是动力型锂离子电池研发过程中亟待解决的关键问题之一,本项目旨在制备新型纳微分级结构Li4Ti5O12/Sn复合材料，并研究其在高功率锂离子电池负极材料中的应用。结合Li4Ti5O12 和金属Sn各自可以互补的优缺点，我们期望获得具有优异的循环性能、倍率性能和安全性能的高功率锂离子电池负极材料。基于纳微分级结构有利于提高材料电化学性能的特点，拟设计并合成一系列新型纳微分级结构Li4Ti5O12/Sn复合物，研究材料的形貌、组分比例、比表面积、孔隙率、孔径分布、离子扩散速度以及电子传导能力等因素对该材料倍率和循环性能的影响，探讨其微观结构形貌与电化学性能的内在关系；研究该负极材料与锂离子电池体系中其它电池材料的相容性，提出一种采用Li4Ti5O12/Sn作为负极材料的高功率锂离子电池新体系。

锂离子电池具有一系列优点，在学术界和产业界受到了极大的关注。作为锂离子电池传统的负极材料，石墨的安全性能不高、能量和功率密度较低，限制了其在电动汽车和储能等领域的进一步应用，因此，对于锂离子电池负极材料的研制，人们已把目光投向了大倍率、高安全性的负极材料。在本项目中，为了设计和合成可应用于高功率锂离子电池的锡钛基负极材料，首先分别对锡基负极材料和钛基负极材料进行了系统地研究，通过设计制备一系列锡基和钛基负极材料，深入探究了其制备方法、微观结构和形貌，以及电化学性能之间内在联系的规律性。基于以上研究结果，结合锡基和钛基材料各自可以互补的优缺点，成功设计和合成了几类锡钛基负极材料，如具有独特一维和三维纳米结构的材料。利用X射线粉末衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、电感耦合等离子发射光谱(ICP)、氮气吸附(BET)、差示扫描量热仪(DSC)和热重分析(TG)等分析手段对合成材料的物化性能，包括组成成分、热力学性能、比表面积、孔隙率、孔径分布、微观结构和形貌等进行了详细研究。将合成材料作为负极材料应用在锂离子电池中进行性能评估，考察其快速充放电能力和循环稳定性；利用循环伏安(CV)测试分析锂离子在电极材料中的嵌入/脱出反应和扩散行为；采用交流阻抗测试(EIS)考察电极材料中电荷迁移动力学行为以及充放电过程中材料与电解液间的界面反应。揭示了电极材料组分、微观结构和形貌对于倍率和循环性能的影响规律，找到可适用于高功率锂离子电池负极材料的微观结构体系，构建了有望用于高功率锂离子电池的锡钛基负极材料，比如：通过水解沉积及辅助热处理，得到了核壳结构锡钛基负极材料，电池性能测试表明在高达2000 mA g-1的电流密度下循环1000次后，放电比容量仍然可达到377 mAh g-1，显示了优异的高倍率和循环稳定性能，有望作为新型负极材料应用于高功率锂离子电池中。