具有多层次导电网络的尖晶石钛酸锂/碳纳米复合结构的构筑及其高倍率储放锂性能研究

尖晶石钛酸锂作为锂离子电池负极材料，具有优异的循环稳定性和长的使用寿命，在充放电过程中，表面不会生成"锂枝晶"，也不和常用电解液发生反应，具有良好的安全性，是非常有前途的动力型锂离子电池负极材料。然而钛酸锂低的电子导电能力，导致其高倍率电化学储放锂性能较差。本项目拟以钛酸钠纳米管为前驱体，制备高比表面积纳米尖晶石钛酸锂，并通过构筑具有三维多层次导电网络的尖晶石钛酸锂/碳复合纳米结构，在以下几方面改善材料的导电性，进而提升其高倍率性能：1)利用纳米管钛酸钠易于离子交换的特性制备均匀掺杂的钛酸锂；2)利用独特液相方法先制备钛酸钠@碳复合结构，进而制备表面包覆有连续导电碳层的钛酸锂，并通过适当方法，将其构筑为多孔微球；3)在多孔微球表面原位生长碳纳米管，碳纳米管的存在将改变颗粒间的接触方式。该复合纳米结构钛酸锂有望具有优异高倍率电化学储放锂性能，同时这对制备其它类型的电极材料也有重要的借鉴意义。

尖晶石钛酸锂具有高安全、长寿命和良好的热稳定性等优点，是极具发展潜力的锂离子电池负极材料，但其较低的电子导电能力限制了其高倍率性能的发挥。本项目以浓碱水热法制备的钛酸纳米管等为前驱体，制备纳米尖晶石钛酸锂，系统研究了前驱体的宏量制备技术和钛酸锂的制备工艺，以及掺杂、表面包覆高导电相、构筑多维导电网络等对产物电化学性能的影响。主要研究内容和结果如下：.利用浓碱水热方法宏量制备了钛酸钠、钛酸等系列纳米结构，并对工艺条件进行了优化；研究发现了钛酸纳米管能在较低温度下和葡萄糖等成碳物质反应，经适当温度下的煅烧过程，能获得二氧化钛/碳复合纳米管状结构，产物具有良好的高倍率性能；.比较研究了钛酸和钛酸钠与锂离子的溶液离子交换反应能力，发现以钛酸钠为前驱体更易获得纯相的纳米尖晶石钛酸锂；利用上述反应过程，制备了掺杂的纳米尖晶石钛酸锂，研究了掺杂离子种类对产品性能的影响，发现适量的铝离子掺杂能改善产品的倍率性能；.利用气相化学沉积和高能球磨等方法，制备了表面包覆高导电相的纳米尖晶石钛酸锂，高导电相的存在增加了产物的高倍率性能；采用喷雾干燥的方法，对产物进行了二次造粒，该工艺过程一定程度上能改善了产品的加工性能，但所得产物堆积密度仍然偏低；利用原位气相沉积形成碳纳米管及掺入石墨烯片等方式，形成多维导电网络，能降低颗粒间接触电阻，进一步改善产物的倍率性能。.研究了钛酸纳米管在高温热氮化过程中生成的纳米氮化钛的电磁性能，发现该氮化钛对2~18 GHz范围内的电磁波具有明显的电磁损耗能力，有望成为新型的吸波材料；另外，通过改变煅烧温度、时间等制备条件，该纳米氮化钛在室温下能表现出抗磁性或铁磁性。