《鋰離子電池納米晶Li4Ti5O12負極材料的製備及性能研究》是依託清華大學，由高劍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鋰離子電池納米晶Li4Ti5O12負極材料的製備及性能研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：高劍
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
Li4Ti5O12材料在成本、循環性能和安全性方面具有突出的優勢，是很有前途的動力型鋰離子電池負極材料。針對目前該材料還存在的大功率性能較差和堆積密度低的問題，本項目設計出一次粒子（晶粒）納米化、二次粒子（顆粒）球形化，並使材料具有較大比表面積的結構，系統地開展材料的合成、結構與電化學性能研究。採用獨特的溶膠凝膠工藝及液相微波合成加噴霧造球方法，實現對Li4Ti5O12材料的上述結構設計，合成出具有高功率特性的Li4Ti5O12材料。套用掃描電鏡、X光衍射分析和比表面測試等分析手段，對材料形貌、微觀結構、晶粒尺寸等物理化學性能及電化學性能進行系統測試表征。提出空間位阻抑制晶粒生長及液相合成防止晶粒長大假說,並通過實驗結果進行驗證。分析研究材料合成、結構與電化學性能之間的內在聯繫及摻碳和離子摻雜改性機理，對材料的進一步研究和開發，及動力型鋰離子電池的早日套用具有重要意義。
結題摘要
Li4Ti5O12材料在成本、循環性能和安全性方面具有突出的優勢，是很有前途的動力型鋰離子電池負極材料。針對目前該材料還存在的大功率性能較差和堆積密度低的問題，本項目設計出一次粒子（晶粒）納米化、二次粒子（顆粒）球形化、同時具有較大比表面積的材料結構，並系統地開展了材料的合成、結構與電化學性能研究。首先最佳化了溶膠凝膠技術合成納米晶球形Li4Ti5O12。優選合適的碳源化合物，並最佳化工藝參數，控制Li4Ti5O12晶粒尺寸小於50nm，振實密度超過1.7 g•cm-3；材料在1C和2C倍率下的放電比容量分別達到155和140 mAh•g-1。再進行噴霧造球合成球形Li4Ti5O12材料。優選合適的鈦源、鋰源化合物及添加劑，先進行噴霧乾燥造球，再進行高溫熱處理，合成出的Li4Ti5O12晶粒尺寸小於50nm，材料粉末的比表面積超過50 m2•g-1，振實密度超過1.5g•cm-3；材料在10C和20C倍率下的放電比容量分別超過140和120 mAh•g-1。最後進行了液相微波加噴霧造球合成球形Li4Ti5O12材料。優選合適的鈦源、鋰源化合物及添加劑，先通過微波輔助合成納米前驅體漿料，再進行噴霧乾燥造球，最後進行熱處理；合成出的球形Li4Ti5O12材料平均粒徑為10μm左右，顆粒表面分布眾多孔洞，比表面積達到 40m2•g-1；由於裂解碳的表面包覆和孔洞的存在，抑制了晶粒的進一步融合生長，晶粒形貌為板狀。1.0C和5.0C倍率下的穩定循環放電比容量分別為165和145 mAh•g-1。此外還進行了Li4Ti5O12材料的表面改性和離子摻雜研究。 尖晶石結構的LiNi0.5Mn1.5O4的特點是具有較高放電電位（4.7V，對金屬鋰負極）和較高循環比容量（～130 mAh•g−1），是一種極具開發潛力的新型鋰離子電池正極材料。採用控制結晶法合成了球形LiNi0.5Mn1.5O4。控制結晶法是將原料溶液和沉澱劑以恆定速度注入到控制結晶反應釜中，通過控制反應體系的溫度、攪拌速度、pH值等來控制反應和結晶過程。通過控制結晶法合成出的LiNi0.5Mn1.5O4具有規則的球形形貌；顆粒粒徑在5-30μm之間；在3.5～5V之間以0.5C倍率充放電，比容量超過130 mAh•g−1。此外，還開發了原位包覆技術對LiNi0.5Mn1.5O4進行改性研究。
