微波水热合成纳米尖晶石LiTiO.doc

微波水热合成纳米尖晶石Li4Ti5O12 作为锂离子电池的负极材料 摘要： 通过微波水热法合成纳米花状结构和纳米尖晶石型的Li4Ti5O12并煅烧。通过用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X-射线粉末衍射和循环伏安法来表现Li4Ti5O12的性能。纳米花和纳米结构的Li4Ti5O12的第一周期放电容量分别为176.7和109.8毫安每克，并在电流速率为1.1C，100次循环后，保持138.4和91.7毫安每克的可逆容量。由于纳米花结构比纳米粒子结构的Li4Ti5O12表具有更大的比表面积和较短的Li+扩散途径，因此前者比后者表现出更好的性能。该制备过程简单、快速，因此在锂离子电池的应用中表现出广泛的应用前景。 1.引言： 锂离子电池是最发达的能量便携式设备的存储系统，电动车和混合动力电动汽车很大程度上归因于他们的高能量密度和循环寿命长[1-4]。目前，石墨烯作为阳极材料，被广泛用于商业锂离子电池，但它在需要宽电容的电动汽车行业受到了限制。最近，尖晶石型Li4Ti5O12由于其独特的优势，作为一个有前途的阳极（负极）材料引起了人们的兴趣[4-20]。其不同寻常的高功率电池的潜力，促进了这项研究的进行[21-24]。尖晶石型的Li4Ti5O12的工作电压大约是1.55V，避免了传统的固体电解质界面的形成（例如：之前的石墨材料），由于高库伦效率的作用，作为电解质未暴露在强烈的高还原电位[18]。此外，具有零应变特性的尖晶石结构Li4Ti5O12在充电和放电过程中具有良好的结构稳定性和可逆性[19]。此外，在Li4Ti5O12中Li+的高移动性为锂离子电池提供了良好的速率，这是可取的牵引应用[20]。 近年来，一直在致力于研究通过做空电子和锂离子的扩散路径，进而提高充放电率的纳米尖晶石结构的Li4Ti5O12。尖晶石型Li4Ti5O12纳米材料具有不同的形态，通过溶剂热[25]和水热[26-29]的方法，已经成功的合成了纳米管[25,26]，纳米线[27,28]，和纳米多孔微球[29]等结构。最近，发现微博辅助水热法是有效的纳米材料的合成方法[30-37]，微博水热法依赖于固体或液体介电材料的相互作用，微波辐射引起介质直接加热[30]，相对不那么直接的常规水热方法，此过程加热产生非常快速[31]。在一般情况下，微波水热法只需要1-3分钟就将水可以加热至100℃-150℃，而使用传统水热法则需要60-100分钟[31]。此外，微波水热法对传统水热法有几个优点：（1）反应时间短和低温处理[32，33]，（2）非常快速的结晶动力[34]，（3）低能源消耗[32-34]。到现在为止，微波水热法已经成功地用于合成MnO2[30]，WO3[31]，Co3O4[35]和LiFePO4[36,37]等纳米材料。 在此，我们报道的通过微波水热法合成纳米结构的Li4Ti5O12，在不同温度下获得了纳米花型和纳米粒子型的Li4Ti5O12。作为电池负极材料，研究了纳米花状和纳米粒子型的Li4Ti5O12的电化学性能。讨论了Li4Ti5O12的形态对锂离子电池性能的影响。 2.实验 2.1 样品制备和表征 在一个典型的过程，191.6毫克氢氧化锂和1毫升30% 的双氧水溶于20毫升去离子水，并将混合物搅拌几分钟，直到得到一个透明的溶液。然后将0.59毫升四异丙氧基钛（TTIP）滴加到清澈的溶液中并搅拌。搅拌30分钟后，将得到的15毫升溶液转移到一个80毫升的含聚四氟乙烯内衬的高压釜，密封并加热到所需温度（130℃和170℃），在微波辅助水热合成系统保温20分钟。然后将高压釜冷却至室温，产品通过离心收集，用去离子水清洗，并在80℃下在烘箱中干燥 12小时，再将所制备的产品在石英管式炉中550℃在空气中进行煅烧6小时。 通过X射线衍射(XRD,Rigaku俄文- 200 bvh Co-Ksource,= 1.7892?)、场发射扫描电子显微镜(SEM、日立S4800)、透射电子显微镜(TEM,日立h - 7000)和高分辨率透射显微镜(HRTEM,JEOL 2010 FEG)分析材料的特点。使用对开微粒学三星II表面积和孔径分析仪得到N2吸附/解吸等温线。 2.2 电化学表征 采用在充满氩气的手套箱组装扣式半电池进行电化学测量（[O2]＜1 ppm，[水] 1 ppm）。电解液为1 M的LiPF6溶液，溶剂是乙烯碳酸盐和碳酸二甲酯以1:1体积比混合而成。对制备电极，活性物质粉末，乙炔黑和聚偏二氟乙烯粘合剂，则以80:10:10的重量比混合均匀，然后粘贴在铜箔上。使每个电极箔1.6每平方厘米表面面积含有大约5毫克的活性物质。然后，电极在真空下110℃干燥12小时。最后，使用Arbin BT-2000电池测试系统，使扣式电池在截止电压为1和2.5 V，电流密度为20