N-双相掺杂Li4Ti5O12@C介孔纳米片状材料可控制备及储钠机理

To meet the demand of utilization of salt lakes lithium and sodium resources in the field of energy, we use the combined effects of mesoporous nanosheet, carbon coating and N-doping to solve the problem of low conductivity of Li4Ti5O12 used as anode material for sodium ion battery. Based on the depth study of the effect of specific surface area, film thickness, pore wall thickness and, pore size distribution on the material properties, the formation of mesoporous nanosheet mechanism and the effect of microstructure on the performance will be revealed. The optimal carbon source and carbon content will be selected, and the decomposition mechanism of carbon source and its influence on the material properties will be summarized. On the basis of the effect of N-doping on the electronic structure, crystal structure, electronic conductivity and ion diffusion coefficient and electrochemical properties, the reason for N-doping improving the conductivity of Li4Ti5O12 will be obtained. The formation of SEI film on the electrode/electrolyte interface, and the mechanism of electrochemical performance will be investigated. The plateaus, structural ad phase variations during sodium insertion/extraction process will be studied and the sodium storage mechanism of Li4Ti5O12 will be summarized. This project can contribute to the scientific guidance and technical support for the utilization of salt lakes lithium and sodium resources in the basin of chaidamud.

盐湖锂资源产业链已初步形成，亟需高比能储能电池以匹配电动汽车和储能两个行业快速发展。本项目针对锂、钠等盐湖元素开展储能领域新材料研究。旨在通过介孔纳米片状结构、碳包覆和N 双相掺杂的多重效应影响，提高钛酸锂储钠过程中电导率，实现高性能储能材料的制备。研究材料的比表面积、片厚度、孔壁厚度、孔径分布等因素对材料性能的影响，揭示介孔纳米片状结构形成机理，探讨其微观结构提高材料性能的原因；筛选最优碳源和碳含量，总结碳源的分解机理及其对材料性能的影响规律；研究N掺杂对材料本体电子结构、晶体结构、电子电导率、离子扩散系数和表观电化学性能的影响，揭示N掺杂效应的内在原因；考察材料电极/电解质界面形成的SEI膜，探讨对电化学性能的作用机制；研究目标材料在钠离子脱嵌过程中电位平台、结构及物相变化规律，总结材料的储钠机理。本项目将对盐湖锂、钠资源高值化利用提供科学依据和技术支持。

本项目通过收集相关文献，整理，分析，撰写了《钛酸锂用于钠离子电池负极的研究进展》。采用水热法制备了一种具有多孔结构的钛酸锂纳米片，研究了不同用量表面活性剂CTAB对材料结构、形貌的影响，揭示了多孔纳米片状材料的形成机理。在此工作基础上，又使用一步水热法制备了钛酸锂/氧化石墨烯复合材料（LTO/rGO）,并与硫脲混合后热处理，制备了硫掺杂的钛酸锂/氧化石墨烯复合材料（S-LTO/rGO），研究发现硫同时掺杂到氧化石墨烯和钛酸锂中，增加氧化石墨烯导电性和有利于钠离子扩散的缺陷，同时硫掺杂钛酸锂中可诱导Ti3+的生成，提高的钛酸锂材料导电性。此外，又采用盐酸多巴胺作为碳氮源对纳米片状钛酸锂包覆后热处理，得到氮掺杂碳包覆钛酸锂材料，探讨氮掺杂碳包覆对提升钛酸锂储钠性能的作用机制。通过Ar/H2等离子体热处理商业化钛酸锂，制备了一种具有氧空位的Ti3+自掺杂钛酸锂电极材料，发现Ti3+和氧空位的引入，能极大地提高电子电导率，同时等离子体的刻蚀作用，增加了材料的比表面积，有利于电解液与活性材料的接触面积，较显著的提升钛酸锂材料在锂离子电池的电化学性能。又以叶酸作为氮碳源，采用固相法合成Li4Ti5O12@CN，并应用于锂离子电池，显著提升了材料的倍率性能和循环性能。本项目的实施对钛酸锂材料储钠/锂性能，尤其是在大电流密度下，容量提升尤其明显，同时为开发在大电流密度下可以进行快充快放的电极材料起到一定的借鉴意义。此外，本项目将对盐湖锂、钠资源高值化利用提供科学依据和技术支持。