尖晶石Li₄Ti₅O₁₂是锂离子电池负极材料中一种常用的候选材料。由于锂离子扩散动力学控制的插入型反应机制,它表现出相对较高的脱/嵌锂电压平台(¹.55 V vs.Li⁺/Li)。Li₄Ti₅O₁₂在不断充放电过程中,其体积膨胀(⁰.2%)可忽略不计,有利于锂离子在超长循环寿命中的嵌入和脱出。由此,尖晶石钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂表现出优异的循环稳定性。然而,由于它的电导率(¹0-¹³ S·cm-¹)低,在大电流密度下,严重的极化现象影响了电极材料的倍率性能。本论文尝试将Li₄Ti₅O₁₂微纳化,表面包覆,与导电性能优异的材料复合,改善Li₄Ti₅O₁₂基负极材料的电化学性能。主要研究内容包括:(1)首先以钛基金属有机框架(MOF)为前驱物制备片状形貌的TiO₂,进而通过湿化学锂化和煅烧的方法,将锐钛矿型TiO₂纳米片转化为具有独特多孔结构的Li₄Ti₅O₁₂纳米片。多孔Li₄Ti₅O₁₂纳米片在0.1 A g-¹的电流密度下其可逆容量为158 mAh g-¹,并且在1.0 V到2.5 V之间以1A g-¹的电流密度循环1000次后容量仍保持为122 mAh g-¹。(2)以聚偏氟乙烯(PVDF)为碳源,合成纳米片组装的氟掺杂碳包覆Li₄Ti₅O₁₂纳米花。在0.1 A g-¹的电流密度下,F-C-Li₄Ti₅O₁₂纳米花的放电容量为179 mAh g-¹,当电流密度增加到7 A g^-1,其放电比容量为120 mAh g^-1,远远高于未氟掺杂碳层包覆的Li₄Ti₅O₁₂纳米花(当电流密度为7 A g-¹,其放电比容量为105 mAh g-¹),表现出优异的倍率和循环稳定性能。(3)以二维过渡金属化合物MXene作为钛源和导电介质,原位合成一种新型的层状堆叠的Li₄Ti₅O₁₂-MXene复合材料。Li₄Ti₅O₁₂和MXene的协同作用大大改善了Li₄Ti₅O₁₂-MXene复合材料的电化学性能。在10 A g-¹的大电流密度下,其放电容量为116 mAh g-¹。此外,在5 A g-¹的电流密度下循环500次后的放电容量为178 mAh g-¹。