锂离子电池纳米晶Li4Ti5O12负极材料的制备及性能研究

Li4Ti5O12材料在成本、循环性能和安全性方面具有突出的优势，是很有前途的动力型锂离子电池负极材料。针对目前该材料还存在的大功率性能较差和堆积密度低的问题，本项目设计出一次粒子（晶粒）纳米化、二次粒子（颗粒）球形化，并使材料具有较大比表面积的结构，系统地开展材料的合成、结构与电化学性能研究。采用独特的溶胶凝胶工艺及液相微波合成加喷雾造球方法，实现对Li4Ti5O12材料的上述结构设计，合成出具有高功率特性的Li4Ti5O12材料。应用扫描电镜、X光衍射分析和比表面测试等分析手段，对材料形貌、微观结构、晶粒尺寸等物理化学性能及电化学性能进行系统测试表征。提出空间位阻抑制晶粒生长及液相合成防止晶粒长大假说,并通过实验结果进行验证。分析研究材料合成、结构与电化学性能之间的内在联系及掺碳和离子掺杂改性机理，对材料的进一步研究和开发，及动力型锂离子电池的早日应用具有重要意义。

Li4Ti5O12材料在成本、循环性能和安全性方面具有突出的优势，是很有前途的动力型锂离子电池负极材料。针对目前该材料还存在的大功率性能较差和堆积密度低的问题，本项目设计出一次粒子（晶粒）纳米化、二次粒子（颗粒）球形化、同时具有较大比表面积的材料结构，并系统地开展了材料的合成、结构与电化学性能研究。首先优化了溶胶凝胶技术合成纳米晶球形Li4Ti5O12。优选合适的碳源化合物，并优化工艺参数，控制Li4Ti5O12晶粒尺寸小于50nm，振实密度超过1.7 g•cm-3；材料在1C和2C倍率下的放电比容量分别达到155和140 mAh•g-1。再进行喷雾造球合成球形Li4Ti5O12材料。优选合适的钛源、锂源化合物及添加剂，先进行喷雾干燥造球，再进行高温热处理，合成出的Li4Ti5O12晶粒尺寸小于50nm，材料粉末的比表面积超过50 m2•g-1，振实密度超过1.5g•cm-3；材料在10C和20C倍率下的放电比容量分别超过140和120 mAh•g-1。最后进行了液相微波加喷雾造球合成球形Li4Ti5O12材料。优选合适的钛源、锂源化合物及添加剂，先通过微波辅助合成纳米前驱体浆料，再进行喷雾干燥造球，最后进行热处理；合成出的球形Li4Ti5O12材料平均粒径为10μm左右，颗粒表面分布众多孔洞，比表面积达到 40m2•g-1；由于裂解碳的表面包覆和孔洞的存在，抑制了晶粒的进一步融合生长，晶粒形貌为板状。1.0C和5.0C倍率下的稳定循环放电比容量分别为165和145 mAh•g-1。此外还进行了Li4Ti5O12材料的表面改性和离子掺杂研究。.尖晶石结构的LiNi0.5Mn1.5O4的特点是具有较高放电电位（4.7V，对金属锂负极）和较高循环比容量（～130 mAh•g−1），是一种极具开发潜力的新型锂离子电池正极材料。采用控制结晶法合成了球形LiNi0.5Mn1.5O4。控制结晶法是将原料溶液和沉淀剂以恒定速度注入到控制结晶反应釜中，通过控制反应体系的温度、搅拌速度、pH值等来控制反应和结晶过程。通过控制结晶法合成出的LiNi0.5Mn1.5O4具有规则的球形形貌；颗粒粒径在5-30μm之间；在3.5～5V之间以0.5C倍率充放电，比容量超过130 mAh•g−1。此外，还开发了原位包覆技术对LiNi0.5Mn1.5O4进行改性研究。