论文部分内容阅读
研究工作主要集中在钛酸锂负极材料的制备、结构及表界面性能研究上。制备了金红石TiO2包覆钛酸锂负极材料，研究了表界面组成和结构对钛酸锂负极材料电化学性能的影响。研究了LiPF6和钛酸锂对锂离子电池胀气现象的影响。作为锂离子电池应用研究的扩展还进行了锂离子电池纳米电极薄膜的喷墨打印研究。本论文的主要内容包括如下三部分:
一、金红石包覆钛酸锂负极的制备、结构及性能研究
通过溶液法合成了边界以金红石TiO2为断面的Li4Ti5O12纳米片，具有原子级分辨率的球差校正成像技术明确揭示了边界处的TiO2结构。这类以金红石TiO2为断面的Li4Ti5O12纳米片结构可被用作锂离子电池负极材料，与纯净的Li4Ti5O12负极材料相比，边界以TiO2为断面的纳米片结构拥有更高的比容量(mAh/g)和更快的充放电速率。此结果为金红石TiO2作为在纳米尺度的非碳包覆以提高Li4Ti5O12负极材料在快速脱嵌锂方面的动力学提供了清晰的实验依据。此类金红石TiO2在纳米尺度的非碳包覆能够有效的改进了Li4Ti5O12电化学性质，与碳包覆技术相比，非碳包覆更有利于开发高体积能量密度，高表面稳定性和更长循环使用寿命的锂离子电池体系。
二、钛酸锂表界面性能研究
通过LiPF6和钛酸锂催化环氧丙烷开环与CO2加成生成碳酸丙烯酯的过程，证实了LiPF6和钛酸锂的Lewis酸本质。碳酸酯类溶剂分子也可以在LiPF6和钛酸锂的催化作用下分解释放CO2并产生活泼的碳正离子中间体。环状的碳酸丙烯酯和碳酸乙烯酯产生的碳正离子中间体比较稳定，倾向于发生聚合反应生成聚环氧丙烷或者聚环氧乙烷。线性的碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯能产生更加活泼的甲基碳正离子和乙基碳正离子，这些碳正离子可以引发一系列的后续反应，如可以得到电子生成甲基自由基和乙基自由基并最终产生烷烃，烯烃等气体。同时，这些反应发生的同时可能产生H+，H+得电子后产生H2。通过对这个反应的分析，从化学催化的角度，阐释了LiPF6和钛酸锂对碳酸丙烯酯的催化开环作用，可能加深对锂离子电池胀气原因的理解。
三、锂离子电池纳米电极薄膜的喷墨打印研究
采用喷墨打印的方法制备了可用于锂离子全电池组装的正负极电解薄膜。电极墨水是锂离子电池的全打印组装工艺的关键，通过加入辅剂来改善分散稳定性和可喷性。以Li4Ti5O12锂离子电池纳米电极材料为主，我们研究了Tween-80和FC-4430两种表面活性剂对Li4Ti5O12纳米材料电极浆液的影响。Tween-80和FC-4430均能够改善Li4Ti5O12电极浆液的分散稳定性和可喷性，但是含有Tween-80的电极墨水在1.6-2.3 V(vs Li+/Li)之间有副反应发生，含有FC-4430的墨水在此区间没有副反应发生，说明FC-4430的体系的电极墨水电化学性质比Tween-80的稳定，循环测试表明含有FC-4430的Li4Ti5O12电极薄膜拥有很好的循环性能和很高的库伦效率。基于此，我们还研究了FC-4430对LiFePO4电极浆液的影响，电化学测试表明，FC-4430对LiFePO4电极薄膜的影响很小。含有FC-4430的LiFePO4电极薄膜也拥有很好的循环性能和很高的库伦效率。