锂离子电池负极材料钛酸锌锂的合成、改性及其电化学性能研究

摘要

尖晶石型钛酸锌锂（Li2ZnTi3O8）作为锂离子电池负极材料具有良好的循环稳定性，高的比容量，优异的安全性能以及低廉的生产成本等优点，吸引了很多研究人员的关注。本文以优化合成工艺，通过包覆的方法改善材料的电化学性能为目的，以固相合成法为重要手段，探寻了Li2ZnTi3O8的合成工艺条件及包覆条件对产物物理特性和电化学性能的影响。
　　本论文首先采用了固相法合成出纯相的Li2ZnTi3O8材料，从焙烧温度和焙烧时间两个方面对合成工艺进行了优化。实验结果显示合成的前驱体在750℃焙烧4h后得到的产物在2C倍率下首次放电比容量可以达到192mAh/g，且循环50圈后容量仍有191.3mAh/g，这表明该材料具有良好的循环稳定性。
　　其次，本论文以葡萄糖为碳源，对TiO2进行预包覆，采用固相法合成出了Li2ZnTi3O8/C材料，对最佳含碳量进行了探讨。实验结果显示碳包覆会明显提升材料的电化学性能，当碳包覆量为5.98％时，材料的电化学性能最为优异，5C倍率下，首圈放电比容量为232mAh/g，循环100圈以后放电比容量仍有199.9mAh/g。这表明材料不仅有较大的比容量，而且有良好的循环稳定性，这是因为碳包覆不仅减小了材料在充放电过程中的极化，而且增大了材料的导电率。
　　最后，本论文选用甲壳素作为碳源和氮源，采用固相法合成出了N修饰碳包覆的Li2ZnTi3O8材料，通过与纯相和碳包覆的Li2ZnTi3O8进行对比，详细讨论了N修饰碳对材料物理性质和电化学性能的影响。实验结果表明，N修饰碳包覆对Li2ZnTi3O8改性作用明显，既可以提高Li2ZnTi3O8的充放电性能也能提升其倍率性能。在5C倍率下，N修饰碳包覆的Li2ZnTi3O8首圈放电比容量为229.3mAh/g，循环200圈以后其放电比容量仍有195.1mAh/g。N修饰碳的包覆增大了材料的比表面积和导电率，减小了材料在反应过程中的极化。

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