董红玉(1979-), 女, 博士研究生. E-mail:hongyudong9@foxmail.com
Li4Ti5O12是具有良好应用前景的锂离子电池负极材料之一. 本研究以聚丙烯酰胺(PAM)为模板剂和碳源, 采用改进的固相合成法制备锂离子电池负极材料Li4Ti4.95Al0.05O12和Li4Ti4.95Al0.05O12/C. 利用X射线衍射仪、场发射扫描电镜等测试手段表征材料的物相结构和形貌. 结果表明: Al掺杂未改变Li4Ti5O12的尖晶石结构, 合成过程中PAM模板剂的引入能够有效调控材料微观形貌并降低颗粒团聚程度. 采用恒流充放电和交流阻抗测试材料的电化学性能, Li4Ti4.95Al0.05O12/C复合材料的比容量和循环性能得到明显改善, 0.2
Li4Ti5O12 is a promising anode electrode material in Lithium ion batteries. Using polyacrylamide as template and carbon source, spinel Li4Ti4.95Al0.05O12and Li4Ti4.95Al0.05O12/C were successfully synthesized by modified solid state method. The results of X-ray diffraction (XRD) and Field-emission scanning electron microscopy show that highly crystalline Li4Ti4.95Al0.05O12and Li4Ti4.95Al0.05O12/C materials without any impurity are obtained. The shape and size of particles are modified by polyacrylamide. The electrochemical performances of materials are investigated in the range of 1.0-2.5 V. The Li4Ti4.95Al0.05O12/C presents a higher specific capacity and better cycling stability than Li4Ti4.95Al0.05O12. The charge and discharge specific capacity of Li4Ti4.95Al0.05O12/C material are 159.2 and 160.8 mAh/g at 0.2
电子设备向小型化和微型化方向发展, 锂离子电池的研究和应用越来越得到重视[ 1, 2, 3]. 随着电动汽车的发展, 高功率型的电池成为锂离子电池研究的热点[ 4, 5, 6, 7]. 尖晶石型钛酸锂Li4Ti5O12材料在脱嵌锂过程中体积变化率小于1%, 被称为“零形变”材料, 具有好的循环性能. Li4Ti5O12材料脱嵌锂电位为1.55 V( vs Li+/Li), 能够避免生成锂枝晶, 安全性高并且价格低廉, 是很有潜力的动力型锂离子电池负极材料[ 8, 9, 10, 11].
尽管Li4Ti5O12材料具有诸多优点, 但是由于Li4Ti5O12材料的电子结构中本征电导率很低, 影响其电化学性能, 限制了材料的应用[ 7]. 因此, 必须改善Li4Ti5O12材料的电化学性能. 通常通过制备纳米Li4Ti5O12、表面包覆Ag或C、在Li位和Ti位体相掺杂Nb, Zr, Al, 和Li等方法改善Li4Ti5O12材料的电导率[ 2, 5, 6, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. 其中Al体相掺杂钛酸锂材料, 能提高材料的本征电导率, 减小材料本身的电阻. 聚丙烯酰胺(PAM)作为模板剂可以调控材料的形貌, 同时其在氮气气氛下产生的裂解碳可以改善材料的导电性能[ 20], 然而, 采用PAM作为模板剂及碳源合成Li4Ti4.95Al0.05O12/C负极材料尚未见报道. 本工作选择聚丙烯酰胺作为模板剂和碳源并掺杂Al对Li4Ti5O12材料进行协同改性, 用改进的固相合成方法制备Li4Ti4.95Al0.05O12/C复合材料, 改善Li4Ti5O12材料的电化学性能, 为其大规模应用奠定了基础.
将锐钛矿型TiO2、LiOH·H2O和Al(NO3)3·9H2O按照4.95:4.12:0.05比例混合得到混合物1, 然后称取适量聚丙烯酰胺(TiO2和LiOH·H2O总质量的8%), 溶解到去离子水中, 得溶液2. 将混合物1加入溶液2中, 在球磨罐中球磨6 h后, 转移到鼓风干燥箱中, 80℃烘干, 于800℃空气中烧结8 h, 随炉温冷却, 得到样品P-Li4Ti4.95Al0.05O12, 标记为样品a. 采用同样的方法, 在N2气氛保护下800℃烧结8 h, 得到P-Li4Ti4.95Al0.05O12/C复合材料, 标记为样品b.
为了便于比较, 以锐钛矿型TiO2、LiOH·H2O和Al(NO3)3·9H2O为反应物, 按4.95:4.12:0.05比例混合均匀后, 空气气氛下800℃保温8 h, 制备G-Li4Ti4.95Al0.05O12作为对比, 标记为样品c.
按质量比80: 10: 10称取电极活性物质、乙炔黑和聚偏二氟乙烯, 混合均匀后, 加入N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)溶剂, 调成浆状, 然后均匀涂覆在铜箔(0.02 mm)上, 真空干燥箱中100℃干燥12 h, 6 MPa压力下压片, 作为工作电极. 以金属锂片作为对电极及参比电极, 隔膜选用Celgard 2400, 电解液为 1 mol/L的LiPF6 (DMC:EC = 1:1)溶液, 在充满氩气的手套箱(湿度<1×10-6)中组装CR2032型纽扣电池.
采用德国布鲁克AXS公司生产的D8X射线衍射仪对材料的微观结构进行分析, 管压40 kV, 管流20 mA, 扫速0.05º/s, Cu靶Kα射线( λ=0.15406 nm)入射; 通过德国ZEISS公司场发射SIGMA型扫描电镜观察材料的微观形貌, 加速电压15 kV; 样品的比表积用JW-004BET分析测试仪测定; 用LAND电池测试系统(武汉金诺电子有限公司)对电池进行恒流充放电测试. 充电终止电压为2.5 V, 放电终止电压为1.0 V. 采用上海辰华CHI660B电化学工作站测试材料的电化学交流阻抗, 频率范围是0.01 Hz~ 100 kHz.
P-Li4Ti4.95Al0.05O12、P-Li4Ti4.95Al0.05O12/C和G-Li4Ti4.95Al0.05O12材料的晶体结构经X射线粉末衍射仪测定, 结果如图1所示: 三种材料均是尖晶石型结构(JCPDS 26-1198), 没有出现明显的碳或铝化合物的衍射峰. 与纯Li4Ti5O12的标准图谱对比, 结果发现, 掺杂Al后的P-Li4Ti4.95Al0.05O12、P-Li4Ti4.95Al0.05O12/C材料, 其 (111)、(311)、(400)、(440)等主要晶面的衍射峰向高角度偏移, PAM作为模板剂在空气条件下制备的P-Li4Ti4.95Al0.05O12样品, 晶胞体积变小, 说明Al进入尖晶石结构, 与文献的结果一致[ 15]. 这是由于半径较小的Al3+(0.0535 nm)取代了部分Ti4+(0.0605 nm), 进入晶格16d位置, 使得晶胞体积变小. 在N2气氛中制备的Li4Ti4.95Al0.05O12/C复合材料, 与空气气氛下得到的P-Li4Ti4.95Al0.05O12样品相比, 晶胞体积没有明显的变化.
图2是样品的FE-SEM照片, 样品(c)是采用固相法制备的Li4Ti4.95Al0.05O12材料, 颗粒表面光滑,呈现不规则的形状, 粒径分布范围较宽, 而且粒径较大, 在1 μm左右. 采用PAM作为模板剂, 在空气气氛中制备的Li4Ti4.95Al0.05O12材料颗粒同样具有光滑的表面, 但是颗粒粒径小于1 μm, 没有棱角, 呈现类球形, 说明PAM模板剂的加入, 能够在材料制备过程中一定程度上调控颗粒的微观形貌及粒径大小. 类球形的颗粒形貌能减小活性材料在制备成电极时颗粒之间的接触电阻, 同时能够改善材料的极板成型性能. 在氮气气氛中制备的Li4Ti4.95Al0.05O12/C复合材料, 颗粒的粒径更小, 而且材料颗粒的表面粗糙, 是由于部分PAM裂解生成的碳包覆在表面, 抑制了晶粒的进一步融合生长. 这说明PAM作为模板剂, 在N2气氛中能够更好地起到调控材料粒径和形貌的作用, 能够在一定程度上抑制高温烧结过程中材料颗粒的团聚. 同时PAM在裂解时产生的碳包覆在Li4Ti4.95Al0.05O12材料颗粒表面, 能够促进材料颗粒间的良好接触, 从而增加材料的电导率.
表2是样品P-Li4Ti4.95Al0.05O12和P-Li4Ti4.95Al0.05O12/C的比表面积和振实密度. 在空气气氛下制备的样品, 比表面积为5.67 m2/g, 采用同样的反应物和反应条件, 在N2气气氛下制备的Li4Ti4.95Al0.05O12/C复合材料, 具有较大的比表面积, 可达15.70 m2/g, 说明PAM在N2中裂解生成的碳阻止了材料颗粒的进一步团聚, 这和SEM结果一致. 在电极活性物质与电解液接触时, 材料比表面积的提高使得固液接触面积也得到提高, 这样可以缩短锂离子在固相中的扩散路程以及电子传输路径, 有利于降低活性材料在充放电过程中的极化程度, 因而有利于提高材料的倍率充放电性能[ 21]. 将P-Li4Ti4.95Al0.05O12/C样品在空气气氛中加热至恒重, 利用加热前后样品质量的差值, 计算出样品中碳的含量为4.1%,说明PAM模板剂在N2气氛中生成了碳.
材料在室温0.2 C倍率1.0~2.5 V电压范围内的充放电性能如图3所示,从图可以看出, G-Li4Ti4.95Al0.05O12材料、P-Li4Ti4.95Al0.05O12材料和P-Li4Ti4.95Al0.05O12/C复合材料的充放电平台均在1.55 V左右, 没有出现其他平台, 说明材料中没有杂相, 与XRD测试结果一致. P-Li4Ti4.95Al0.05O12材料的首次充放电容量分别为150.3和151.8 mAh/g. P-Li4Ti4.95Al0.05O12/C复合材料的首次充放电容量为159.2和160.8 mAh/g. G-Li4Ti4.95Al0.05O12材料的首次充放电容量分别是130.0和133.1 mAh/g. 结果表明, P-Li4Ti4.95Al0.05O12/C复合材料具有较高的脱锂容量.
图4是材料的倍率循环性能测试结果, 可以看出, G-Li4Ti4.95Al0.05O12材料在0.2 C和5 C进行循环, 容量衰减明显, 而P-Li4Ti4.95Al0.05O12材料和P-Li4Ti4.95Al0.05O12/C复合材料在相同倍率下循环, 均有较好的循环性能, 相比之下, 碳复合材料的高倍率性能更好. 说明裂解碳的存在可以有效降低材料中晶粒及颗粒间的接触电阻、降低充放电过程中的极化程度, 从而改善了钛酸锂材料的倍率性能.
图5为所制备样品的电化学交流阻抗谱. 图中高中频区的半圆反映的是电荷转移过程的阻抗以及电极和电解液间的界面容抗, 在低频区的直线反映的是锂离子在固体活性材料中扩散所引起的Warburg阻抗[ 22, 23, 24]. Li4Ti4.95Al0.05O12/C材料的电荷转移阻抗明显低于未复合碳的Li4Ti4.95Al0.05O12材料, 反应了掺碳后活性材料插锂过程的快速动力学机制. 说明以PAM为碳源可以有效改善钛酸锂材料的导电性, 有利于提高材料的嵌锂深度, 降低电极活性材料颗粒表面与内部的Li+的浓度差, 从而减小电池的极化, 提高放电比容量, 改善电池的倍率性能.
采用改进的固相法制备了尖晶石型Li4Ti4.95Al0.05O12材料以及Li4Ti4.95Al0.05O12/C复合材料, 其中以PAM为碳源的Al掺杂钛酸锂材料具有较高的比容量及较好的循环性能和倍率性能, 首次脱锂容量高达159.2 mAh/g. PAM作为模板剂能够一定程度上调控钛酸锂材料的微观形貌和颗粒粒径, 在N2气氛下, PAM裂解得到的碳可以有效提高材料的导电性能. 此工艺方法简单实用, 使用的材料廉价易得, 便于大规模制备电化学性能优良的负极材料Li4Ti4.95Al0.05O12/C.