钛酸锂/石墨烯负极材料的可控合成及其电化学性能研究

Lithium titanate is a spinel structure of the "zero strain" electrode material. In recent years, it attaches great importance to the countries as an anode material for new energy vehicle power battery. The project is intended as an aqueous solution and a mixed solvent reaction medium, to seek in building the lithium titanate / graphene nano-composite structure possibility directly in solution under mild conditions, to study structure of the phase composition of the composite system, surface morphology, physical and chemical properties in detail. Through adding reactive agent in the liquid medium, doped or coated with the metal ion, nitrogen element, and graphene, adjusting the process parameters such as the kind of medium, the synthesis temperature, the lithium titanate / graphene nano-composite structure of the directional growth and physical and chemical properties are controlled; further study has been performed to improve the lithium titanate / graphene nano the electrochemical properties of the composite structure, using in situ or in situ characterization of (online) analysis techniques, to explore the lithium titanate surface of the base electrode / electrolyte interface structure and performance of internal relations and law, this project provides a theoretical basis and technical basis for the composite system materials in lithium-ion power battery.

钛酸锂是一种尖晶石结构的"零应变"电极材料。近年来，它作为新能源汽车动力电池负极材料得到各国的高度重视。本项目拟以水溶液和混合溶剂作为反应介质，寻求于温和的条件下在溶液中直接构筑钛酸锂/石墨烯纳米复合结构材料的可能性，系统研究该复合体系的相组成结构、表面形貌与物理化学特性。通过在液相介质中添加反应活性剂、掺杂或包覆金属离子、氮元素及石墨烯，调整介质的种类、合成温度等工艺参数，来控制钛酸锂/石墨烯纳米复合结构材料的定向生长与物理化学特性；并采用非原位或原位(在线)的表征分析技术，探讨钛酸锂基电极表面/电解质界面结构与性能的内在联系和规律，寻求提高钛酸锂/石墨烯纳米复合结构材料电化学性能的新途径，为实现该复合体系材料在锂离子动力电池中的应用提供理论依据和技术基础。

锂离子电池因具有高功率、高能量密度、寿命长、安全性好等优点，正逐步走向电动汽车、智能电网等大型储能领域。钛酸锂凭借着优异的循环性能和稳定的结构成为备受关注的负极材料。本项目主要采用液相合成途径，并通过离子掺杂（Na+）和包覆导电性材料（Ag、石墨烯）来弥补钛酸锂的固有缺陷，成功制备了尺度与结构可控、电化学性能较佳的纳米钛酸锂/石墨烯复合结构材料，总结了纳米钛酸锂的生长机理与控制规律。主要结论如下：.1..采用液相法合成了钛酸锂负极材料，并探究了锂的用量、煅烧温度及氢氧化锂浓度等因素对合成材料性能的影响。实验得出最佳工艺条件为：锂摩尔比过量12%，700℃煅烧8h，LiOH为4mol/L浓度。此条件下制备的钛酸锂材料颗粒细小均匀，放电比容量达160.7mAh/g，接近理论比容量175mAh/g。.2..引入高导电相石墨烯材料，探究了石墨烯材料的氧化还原法制备及石墨烯含量、还原剂种类等因素对合成Li4Ti5O12/graphene复合材料性能的影响。实验结果表明石墨烯的加入有效改善了钛酸锂材料的电化学性能，使其首次放电比容量达184mAh/g，50次循环后仍保持158mAh/g；在5C下放电容量也达到102mAh/g。.3..在Li4Ti5O12/graphene复合材料的基础上引入Ag纳米粒子，阻止了石墨烯片层间的进一步堆积，同时银良好的导电性也有助于改善钛酸锂的大电流充放电性能。探究了Ag的用量、还原剂种类及NaOH等因素对合成材料性能的影响，结果表明：在NaOH碱性条件下葡萄糖还原制备的3wt%AgNO3的Li4Ti5O12/Ag-graphene复合材料性能最佳，首次放电比容量达207mAh/g，首次库伦效率达82%；在5C下放电比容量达126mAh/g。.4..通过溶剂热法得到了Li4-xNaxTi5O12样品和Li3.9Na0.1Ti5O12/石墨烯复合材料，其中， Li3.9Na0.1Ti5O12样品在1 C时比容量达到153.4 mAh/g，循环40次后容量维持在136.8 mAh/g，容量保持率为89.17%。电化学测试表明Li3.9Na0.1Ti5O12/石墨烯（3 wt%GO）具有良好的循环稳定性和较高的比容量，在1 C时比容量达到158.8 mAh/g，循环40次后比容量依然维持在146.3 mAh/g。.