纳微结构钛酸锂电极材料的制备及其电化学性质研究

尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12)因其在循环过程中具有良好的稳定性和安全性以及优良的快速充电性能，成为Li4Ti5O12/AC非对称电化学电容器的重要电极材料。本项目为进一步提高此体系的功率密度以及能量密度，拟通过水热、溶剂热以及离子液体辅助组装合成小尺寸的Li4Ti5O12、碳包覆Li4Ti5O12以及含氮碳包覆Li4Ti5O12电极材料，并通过离子掺杂占位制备低嵌锂电位的改性Li4Ti5O12，深入研究制备方法、合成条件对Li4Ti5O12及碳包覆Li4Ti5O12微观结构、组成的影响，阐明改性Li4Ti5O12结构与其倍率性质及所组成电化学电容器功率密度、能量密度等电化学参数之间的关系，为设计高电子和锂子导通能力的Li4Ti5O12电极材料及其在高性能非对称电化学电容器中的应用提供理论指导。

尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12)作为一种“零应变材料”，循环性能稳定，安全性能好，高低温性能优异，以其作为负极的动力锂电池及锂离子电容器具有广阔的应用前景。本课题紧密围绕提高钛酸锂电子导电率、改善离子扩散速率这两个亟待解决的国际性难题，从钛酸锂材料的制备、组成、结构与性能的关系入手，开展了系统深入的研究工作，取得了一系列在国际上产生重要影响的创新性成果。发展了一种构筑钛酸锂纳微结构的“湿化学方法”，揭示了在化学锂化过程中纳米晶的生长规律；提出了碳自包覆、引入缺陷、掺杂降电位等三种结构与性能优化策略，解决了粒径不可控、电子导电率低、传荷阻抗大、嵌锂电位高等难题；同时也构筑了柔性一体化的电极结构；显著提高了锂离子电池的功率密度，实现了快速充放电特性；组装成高性能的锂离子电容器。将具有高电子和锂离子导通能力的Ti3+自掺杂的Li4Ti5O12、3D有序介孔TiNb2O7纳米管作为电池型负极，分别以花生壳衍生碳和石墨烯作为电容型正极，优化组装成非对称电化学电容器器件，即锂离子电容器。能量密度和功率密度（基于正负极活性物质总量）分别高达67、74 Wh kg-1和8000、7500 W kg-1。