介孔Li4Ti5O12/石墨烯的合成、性能及工艺研究

Owning to Li+ and electron can easily transport, and the electrolyte can easily penetrate into their porous stucture, mesoporous Li4Ti5O12/graphene have aroused intense research interest. But it is very difficult to prepare the materials, the relationship between the properties and the synthesis technic of mesoporous Li4Ti5O12/graphene isn't clear. The project is to prepare mesoporous Li4Ti5O12/graphene by different methods, investigate the electrochemical properties of the materials, study the effect of technic parameter to composition, structure and morphology, further more, discuss the relationship between electrochemical properties and composition, structure and morphology of the materials. Optimize synthesis technic parameter of mesoporous Li4Ti5O12/graphene. Construct the mathematical model. Select materials with better electrochemical properties and confirm the best synthesis technic of them. On the one hand, the work will develop the synthetic methods of mesoporous Li4Ti5O12 in theory to realize the controllable preparation of mesoporous Li4Ti5O12/graphene anode materials; on the other hand, it will also provide theoretical and scientific basis for the development of high-performance materials for lithium ion batteries by optimizing the technic parameters of the assembly and testing process, which conducives to modulate the inherent performance of the graphene composites and confirm the best synthesis technic conditions of the materials.

介孔Li4Ti5O12/石墨烯因具有电解液容易渗透，Li+和电子传输快等优点而引起研究者的极大兴趣，但其合成困难，性能和制备工艺之间的关系尚不清楚。本项目拟采用不同的方法制备介孔Li4Ti5O12/石墨烯，测试其电化学性能，研究制备工艺参数对其组成、结构和形貌等的影响，进而探讨该类材料的组成、结构和形貌等与其电化学性能之间的关系，优化工艺参数，建立数学模型，优选出电化学性能优良的材料，确定这些材料的最佳合成工艺。这些工作一方面将在理论上发展并丰富介孔Li4Ti5O12的合成方法学；另一方面通过优化组装方法以及实验工艺参数，有利于调制石墨烯基复合材料固有的性能指标，确定该类材料合成的最佳工艺条件，实现介孔Li4Ti5O12/石墨烯负极材料的可控制备，为设计、合成高性能的锂离子电池材料提供理论基础和科学依据。

项目以提高Li4Ti5O12大倍率快速充放电性能为目的，采用稀土离子掺杂结合纳米结构改性、碳包覆等方法，对钛酸锂进行改性，以期提高其电子导电率和锂离子扩散系数，改善其大倍率快速充放电性能。具体研究内容如下：.1. 采用水热法合成前驱体，随后在N2/H2混合气氛中煅烧制备了铕掺杂碳包覆的钛酸锂纳米层，铽掺杂碳包覆钛酸锂纳米层，铕、铽双掺杂碳包覆的钛酸锂纳米层。X-射线光电子能谱数据分析证明铕掺杂碳包覆的钛酸锂纳米层中铕以双价态的Eu3+/Eu2+存在，铽单掺杂碳包覆的钛酸锂纳米层中铽以双价态的Tb4+/Tb3+形式存在，铕、铽双掺杂碳包覆钛酸锂纳米层中，铕与铽以双价态的Eu3+/Eu2+与Tb4+/Tb3+存在于体相中。对铕、铽双掺杂钛酸锂中存在双协同作用的机理进行了深入探讨。在5C，60C，80C，100C电流密度下，倍率性能对比发现，样品倍率性能的大小顺序为：E-T-LTO1>E-LTO2 >T-LTO3>LTO。在进行100C大电流充放电时，样品的循环稳定性及其大倍率条件下的放电容量顺序为E-T-LTO1> E-LTO2>T-LTO3>LTO。.2. 以一锅水热法合成了二维镝改性的竹简状Li4Ti5O12纳米层，通过X-射线衍射和电镜对合成材料的结构、形貌进行了表征。探究了镝改性竹简状Li4Ti5O12纳米片的形成过程，提出了二维竹简状钛酸锂纳米层的形成机理。X-射线衍射数据精修表明，镝离子掺杂进入到钛酸锂的8a和16d位点。电化学测试表明镝改性的Li4Ti5O12纳米层样品展现出超高的倍率容量和优异的循环性能。在20C电流密度下，Li4-x/3Ti5-2x/3DyxO12 (x=0.02)初始的放电容量为181.8 mAh g-1，即使在100C的大电流密度下，1000次循环以后其容量仍然保持在140.9 mAh g-1。.项目共发表21篇论文，获得省部级奖励4项。