多孔球形Li4Ti5-xMxO12/C纳米－微米复合结构调控及其倍率性能研究

本课题拟采用凝胶浇注结合陶瓷造粒技术合成具有多层次碳网包覆的多孔球形纳米-微米复合Li4Ti5-xMxO12/C材料。利用凝胶高分子网络对金属离子的络合锚固作用，使原料混合达到原子级水平，同时限制材料成核方式，达到调控粒径的目的。后期烧结过程高分子网络裂解产生的高导电性碳与复合其间的金属离子形成Li4Ti5-xMxO12/C纳米共生物。另外，造粒过程所用粘合剂在烧结时作为造孔剂及碳掺杂剂，形成多孔球形结构的同时可在纳米Li4Ti5-xMxO12/C初始粉体的颗粒外围包覆一层高导电性碳，形成多层次的碳包覆，从根本上提高材料的电导率。本研究在优化最佳制备工艺的同时，对凝胶高分子网络调控材料形貌、性能的机理将作较深入的探讨。这对提高新型固体材料的功能性和实用性、丰富其合成的基础理论，创新材料的功能性设计思想具有重要学术价值，为新型安全廉价动力锂离子电池的开发及拓展其大功率应用具有重要的实用价值。

摘要：本项目采用凝胶浇注结合喷雾干燥技术合成了具有多层次碳网包覆的多孔球形纳米-微米复合Li4Ti5O12/C材料。在此基础上，优化出最佳的制备工艺，并研究了材料的制备工艺、物理性能指标（如比表面积、孔径孔容等）和金属离子掺杂对其电化学性能的影响规律。同时，对凝胶高分子网络调控材料形貌、性能的机理作了较深入的探讨，并进一步在18650电池中验证了该材料的实用性。研究结果表明：.1. 随着预烧温度的降低，凝胶浇注前驱体的粒径逐渐减小，而振实密度逐渐增加；随单体用量的增加，粒径逐渐减小，而振实密度则先增加后减小。利用上述前驱体经喷雾干燥制成目标产物，随着烧结温度的升高和时间的延长，材料的比表面积和孔径、孔容逐渐减小，同时，颗粒粒度和球形度降低。相对于非球形样品，材料的充放电比容量提升，循环性能，特别是高倍率下的循环性能改善。.2. Mg掺杂后，材料在低倍率下的性能改善不大，但高倍率性能有一定程度的提高，稳定性更好。铝掺杂后，比容量略有降低，但循环稳定性及倍率性能明显改善。掺杂钆、镱的材料电性能相对于未掺杂样品都有一定程度提高。钕和镧掺杂对材料性能没有明显的改善作用。.3. 凝胶浇注法可以在较低的温度和较短时间内合成均匀的类球形亚微米级颗粒。这主要是因为聚丙烯酰胺通过和金属阳离子之间的交联配合作用，降低了反应的活化能，使两者更容易形成Li4Ti5O12的晶核，降低反应难度。同时，烧结过程中聚丙烯酰胺分解生成碳，弥散在微晶、晶粒和颗粒之间或表面，抑制晶粒长大的同时，提高材料的导电性能。.4. 作为本项目的扩展，我们还验证了该材料在18650电池中的实用性。结果表明，其在倍率放电、快速充放电、低温放电以及循环寿命方面都具有较优异的性能。上述研究结果为该材料在锂离子电池中的应用提供了重要的参考。