锂离子电池负极材料的制备及性能.pdf

摘要 可进行反复充放电的锂离子电池在目前的移动通讯,信息存储,娱乐,电 脑领域发挥着不可替代的作用。由于锂离子电池的高能量密度,使其广泛地应 用于各个领域中,但是相比较而言,锂离子电池的低倍率性质一直是限制它大 规模发展的瓶颈。为了改善锂离子电池大倍率充放电的电化学性能,并且相应 的降低电极活性材料的成本,具有纳米结构的材料通常被用来解决锂离子在电 池材料中穿插扩散等动力学问题。 本论文选择零应变特性的尖晶石结构的Li Ti O LTO 作为锂离子电池负 4 5 12 极材料,并采用电纺的方法作为纳米结构加工手段;同时,在电极材料中嵌入 或包覆具有超高电子及离子导电性的石墨烯材料作为导电添加剂来提高锂离子 电池的电化学性能。 为体现电纺 LTO/石墨烯在结构及性能上的优越性,我们同时利用传统溶胶 -凝胶法合成出 LTO 粉末。实验通过 SEM, HRTEM, AFM, XRD, BET,电化学测 试及其它技术手段,来实现对电极材料及电池性能的表征。 比表面积测试和电池充放电过程等测试表征过程充分证明电纺 LTO/石墨烯 具有比传统溶胶-凝胶法显著提高的比表面积。另外,石墨烯大大提高了负极材 料中电子和离子的导电性,使得锂离子电池具有更好的大倍率充放电性能和循 环性能。 当在电纺 LTO纳米纤维中掺入石墨烯,电极材料在不同倍率下的比容量比 单独电纺 LTO 和溶胶-凝胶法 LTO 大大提高,尤其在更大倍率的情况下提高的 更显著。在大倍率充放电 22 C下,电纺 LTO/石墨烯的比容量约为 110 mAh/g, 分 别是单独电纺 LTO的两倍47 mAh/g和溶胶-凝胶法 LTO的三倍34 mAh/g。电 纺 LTO/石墨烯在 22 C大倍率充放电下,循环可以达到 1300次以上且容量101 mAh/g保持在 91 %以上,远远好于报道过的制备 LTO 方法。电纺 LTO/石墨烯 纳米纤维作为锂离子电池负极材料的大倍率充放电性能和高循环寿命使其在能 源电动车等领域有着重要的应用前景。此外,利用电纺石墨烯掺杂其它材料应 用于锂离子电池和超级电容器也同时进行了研究和测试。 关键词:电纺;石墨烯;锂离子电池;大倍率充放电;Li Ti O 4 5 12 I Abstract Rechargeable Li-ion batteries LIBs have played an indispensable role in today’s mobile and information-rich society as key components of portable, entertainment, computing and telecommunication devices. Compared with the current commercial success of LIBs due to their high energy density, their low rate capability has limited LIBs from other important applications. To improve high rate performance and reduce the cost of the electrochemically active electrodes, nano-architectured materials are usually adopted to solve the kinetic problems + associated with the solid-state diffusion of Li intercalation and electronic conductivityIn this thesis, we chose electrospinning as a general method to prepare zero-strain characteristics Li Ti O LTO nanocomposites to improve the 4 5 12 electrochemical properties of spinel LTO in LIBs; at the same time, we chose graphene as carbon imbedded or encapsulated which has excellent electronic conductivity and mechanical properties To compare the priority of electrospinning method with th