【摘 要】
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尖晶石型结构的钛酸锂(Li4Ti5O12)具有“零应变”性能,即在嵌锂前后晶胞体积变化非常小,因而具有极高的稳定性和超长的循环寿命,被认为是最具前景的锂离子电池负极材料之一。然而,其电子电导率和离子电导率较低,针对此缺陷,实际应用中通常采取碳包覆及离子掺杂等方法对其性能进行改善。本文采用高温机械力化学法制备Li4Ti5O12负极材料并对其进行改性研究,通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、
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尖晶石型结构的钛酸锂(Li4Ti5O12)具有“零应变”性能,即在嵌锂前后晶胞体积变化非常小,因而具有极高的稳定性和超长的循环寿命,被认为是最具前景的锂离子电池负极材料之一。然而,其电子电导率和离子电导率较低,针对此缺陷,实际应用中通常采取碳包覆及离子掺杂等方法对其性能进行改善。本文采用高温机械力化学法制备Li4Ti5O12负极材料并对其进行改性研究,通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、恒电流充放电及循环、倍率性能测试,循环伏安（CV）和交流阻抗测试（EIS）等技术手段,研究了球磨工艺参数、碳包覆与Cu2+掺杂对Li4Ti5O12性能的影响,并通过第一性原理计算对实验中的现象进行了解释。考察了球磨温度、球磨时间、球料比及锂钛摩尔比n（Li）/n（Ti）对Li4Ti5O12的物相组成、形貌结构及电化学性能的影响,结果表明,在球磨温度为750℃、球磨时间为6 h、球料比为20:1、n（Li）/n（Ti）=0.84的条件下制备出的Li4Ti5O12材料的性能最优,其粒径基本分布在0.1～1 μm之间,0.1C下首次放电比容量为157.8 mAh·g-1,0.5C下首次放电比容量为148 mAh·g-1,经过20次循环之后,比容量依然稳定在140 mAh·g-1。在最佳条件下,研究了碳源包覆及Cu2+掺杂对钛酸锂的组成、形貌及电化学性能的影响。结果显示,碳包覆不会改变Li4Ti5O12的尖晶石结构,且能减少其在高温下的团聚作用;在柠檬酸、葡萄糖、蔗糖三种碳源中,葡萄糖的包覆效果最佳,包覆后Li4Ti5O12的传荷电阻减小了 2/3,电化学性能得到了明显的提升,在1C下循环50次后,容量依然保持在145 mAh·g-1;当Cu2+的掺杂量较低,即x=0.1时,不会改变Li4Ti5O12的物相组成,而当掺杂量x=0.15和x=0.2时,产物中出现了微弱的金红石相TiO2的衍射峰;掺杂Cu2+后产物的颗粒细小均匀,样品的传荷电阻明显降低,循环性能得到了显著提高。当掺杂量x=0.15时样品的性能最佳,其在1、2、5、10C下的首次放电比容量分别为145.9、132.5、111.1、89.3 mAh·g-1,交流阻抗测试表明锂离子扩散系数提高了两个数量级。从微观角度对Li4Ti5O12材料进行了第一性原理研究,结果表明,嵌锂之后钛酸锂的体积收缩了 1.04%;态密度图显示,Li4Ti5O12是绝缘体性质的材料,而Li7Ti5O12为金属性质的材料;电荷密度图和电荷差分密度图证实,Ti和O之间存在较强的共价键,有利于Li4Ti5O12结构的稳定性;Cu2+掺杂是通过在费米能级附近形成杂质带,使d轨道电子在八面体16d位之间跳跃,从而使电荷重新分布,减小带隙,提高Li4Ti5O12的电子导电性。
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