尖晶石型Li4Ti5O12是一种“零应变”嵌锂材料,具有锂离子三维扩散通道,可以进行大倍率充放电。该种材料因具有良好的循环性能、安全性能和低廉的成本成为新一代锂离子动力电池负极材料的研究热点。
本文综述了负极材料Li4Ti5O12的结构、脱嵌锂机制、制备方法、碳包覆改性及其在锂离子电池中的应用等方面的内容。采用高温固相法制备钛酸锂并对其进行碳包覆改性,通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、红外吸收光谱(FT-IR)、恒流充放电测试和交流阻抗测试(EIS)等分析测试方法,从材料制备、结构形貌和电化学性能等方面对实验制备的样品进行研究。
首先,分别以无定形TiO2和锐钛矿型TiO2为钛源,Li2CO3为锂源,空气气氛850℃焙烧不同的时间,制备Li4Ti5O12样品,并分析了钛源和焙烧时间对材料电化学性能的影响。以无定形TiO2为钛源制备的样品循环可逆性偏差,以锐钛矿型TiO2为钛源,850℃焙烧焙烧25h制备的样品具有较好的倍率性能。
其次,以锐钛矿型TiO2、Li2CO3和六种有机碳源为原料,氮气气氛850℃焙烧不同的时间,制备Li4Ti5O12及碳包覆样品,对制备的样品进行结构表征和倍率性能测试(0.1C→0.2C→0.5C→1C→0.1 C),分析焙烧时间及碳源对材料性能的影响。XRD测试结果表明,氨气气氛制备的样品中含有Ti3+,使得样品晶胞参数变大,衍射峰相对积分强度降低,还使得样品呈现蓝色,另外,碳包覆样品表面的碳层对样品的晶胞参数有一定的影响。倍率性能测试结果表明,焙烧25h制备的样品具有相对较好的倍率性能,其中以酚醛树脂为碳源制备的碳包覆样品倍率性能最好。
最后,对850℃焙烧25h制备的空气气氛Li4Ti5O12样品、氮气气氛Li4Ti5O12样品以及碳包覆样品在不同倍率下第五次充放电充电结束和放电结束时进行交流阻抗测试,并依据测试结果计算相应过程的锂离子表观扩散系数。