N掺杂C包覆Li4Ti5O12锂离子电池负极材料的制备与性能

doi:10.7503/cjcu20140777

高等学校化学学报 ›› 2015, Vol. 36 ›› Issue (5): 981.doi: 10.7503/cjcu20140777

N掺杂C包覆Li₄Ti₅O₁₂锂离子电池负极材料的制备与性能

史楠楠, 姜雪, 张莹, 程魁, 叶克, 王贵领, 曹殿学()

哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院, 哈尔滨 150001

收稿日期:2014-08-27 出版日期:2015-05-10 发布日期:2015-04-20
作者简介:联系人简介: 曹殿学, 男, 博士, 教授, 主要从事燃料电池、锂离子电池及超级电容器电极材料研究. E-mail: caodianxue@hrbeu.edu.cn
基金资助:
黑龙江省博士后基金(批准号: LBH-Z13059)资助

Preparation and Performance of N-doped Carbon Coated Li₄Ti₅O₁₂ as Anode Material for Lithium-ion Batteries^†

SHI Nannan, JIANG Xue, ZHANG Ying, CHENG Kui, YE Ke, WANG Guiling, CAO Dianxue^*()

College of Material Science and Chemical Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China

Received:2014-08-27 Online:2015-05-10 Published:2015-04-20
Contact: CAO Dianxue E-mail:caodianxue@hrbeu.edu.cn
Supported by:
† Supported by the Postdoctoral Fund of Heilongjiang Province, China(No.LBH-Z13059)

摘要/Abstract

摘要：

以TiO₂和Li₂CO₃分别作为钛源和锂源, 聚苯胺(PANI)作为碳源和氮源, 通过球磨辅助高温固相法合成N掺杂C包覆Li₄Ti₅O₁₂. 通过X射线衍射仪(XRD)、 X射线光电子能谱仪(XPS)、元素分析仪(EA)、扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)等对材料的结构和形貌进行了表征, 并将合成材料制成电极片组装成扣式电池, 测试其电化学性能. 结果显示, 钛源的处理对样品的性能有影响, 通过对TiO₂预包覆合成的N掺杂C包覆Li₄Ti₅O₁₂具有优异的电化学性能, 在碳、氮源的包覆比例(PANI与Li₄Ti₅O₁₂的质量比)为5%时效果最佳: 1 C放电时其比容量为157.6 mA·h/g, 20 C放电时其比容量仍可达到119.6 mA·h/g; 在10 C充放电循环100次后, 其比容量保持率为97.8%, 表明N掺杂C包覆Li₄Ti₅O₁₂具有优异的倍率性能和循环稳定性.

关键词: N掺杂, C包覆, 聚苯胺, 钛酸锂, 负极材料

Abstract:

N-doped carbon coated Li₄Ti₅O₁₂ samples were synthesized by a conventional high-temperature solid method with ball milled TiO₂, Li₂CO₃ and polyaniline(PANI) as the titanium source, lithium source and carbon/nitrogen source, respectively. The structure and morphology of the samples were characterized by X-ray diffraction(XRD), X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), elemental analysis(EA), scanning electron microscopy(SEM) and transmission electron microscopy(TEM). The electrochemical performance of the samples as the anode material for lithium-ion batteries was evaluated. The results indicate that the treatment of titanium source affect the electrochemical properties of samples. N-doped carbon coated Li₄Ti₅O₁₂ obtained by pre-coating process of TiO₂ showed the best electrochemical behaviors when the coating ratio of carbon/nitrogen source was 5%. The specific capacity of the electrode reached 157.6 mA·h/g at 1 C and retained to be 119.6 mA·h/g at a high current density of 20 C. It remained 97.8% of initial capacity after 100 cycles at 10 C.

Key words: N-doping, Carbon coating, Polyaniline, Lithium titanate, Anode material

中图分类号:

O646

TrendMD:

史楠楠, 姜雪, 张莹, 程魁, 叶克, 王贵领, 曹殿学. N掺杂C包覆Li₄Ti₅O₁₂锂离子电池负极材料的制备与性能. 高等学校化学学报, 2015, 36(5): 981.

SHI Nannan, JIANG Xue, ZHANG Ying, CHENG Kui, YE Ke, WANG Guiling, CAO Dianxue. Preparation and Performance of N-doped Carbon Coated Li₄Ti₅O₁₂ as Anode Material for Lithium-ion Batteries^†. Chem. J. Chinese Universities, 2015, 36(5): 981.

图/表 8

Scheme 1 Schematic illustration for the synthesis of the N-doped carbon coated Li4Ti5O12

Fig.1 XRD patterns(A, B) and element content analysis of LCNT-1, LCNT-2, LCNT-3(C)(B) is the partial enlarged patterns of P-LTO, C-LTO, LTCNs and LCNTs. a. LCNT-1; b. LTCN-1; c. LCNT-2; d. LTCN-2; e. LCNT-3; f. LTCN-3; g. C-LTO; h. P-LTO.

Fig.2 SEM images of P-LTO(A), C-LTO(B), LTCN-2(C) and LCNT-2(D)

Fig.3 TEM images of P-LTO(A), C-LTO(B), LTCN-2(C) and LCNT-2(D) The inset of (D) shows the HRTEM image of LCNT-2.

Fig.4 Raman spectra(A), XPS survey spectra(B) of P-LTO(a), C-LTO(b), LTCN-2(c), LCNT-2(d) and typical high-resolution XPS spectra of N1s for LTCN-2(C) and LCNT-2(D)

Fig.5 Rate capabilities of LTCN-1, LTCN-2, LTCN-3 electrodes(A), LCNT-1, LCNT-2, LCNT-3 electrodes(B), P-LTO, C-LTO, LTCN-2, LCNT-2 electrodes(C) and cycling performances at 10 C of P-LTO, C-LTO, LTCN-2, LCNT-2 electrodes(D)

Fig.6 Cyclic voltammograms of the P-LTO(a), C-LTO(b), LTCN-2(c) and LCNT-2(d) electrodes at scan rate of 1.0 mV/s

Fig.7 EIS spectra for the P-LTO, C-LTO, LTCN-2 and LCNT-2 electrodes

参考文献 23

[1]	Jung H., G. , Myung S., T. , Yoon C., S. , Son S., B. , Oh K., H. , Amine, K. , Scrosati, B. , Sun Y., K. , Energy Environ. Sci., 2011, 4, 1345- 1351
[2]	Wang, H. , Lai X., Y. , Xia, W. , Yu R., B. , Mao, D. , Xing C., J. , Chem. Res. Chinese Universities, 2008, 24( 3), 383- 384
[3]	Shen, L. , Zhang, X. , Li, H. , Yuan, C. , Cao, G. , J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2, 3096- 3101
[4]	Lepage, D. , Michot, C. , Liang, G. , Gauthier, M. , Schougaard S., B. , Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 6884- 6887
[5]	唐致远, 阮艳莉, 宋全生, 卢星河, 高等学校化学学报, 2005, 26( 10), 1905- 1908
	Tang Z., Y. , Ruan Y., L. , Song Q., S. , Lu X., H. , Chem. J. Chinese Universities, 2005, 26( 10), 1905- 1908
[6]	Whittingham M., S. , Chem. Rev., 2004, 104, 4271- 4302
[7]	Zhang, Y. , Pan, Y. , Liu, J. , Wang G., L. , Cao D., X. , Chem. Res. Chinese Universities, 2015, 31( 1), 117- 122
[8]	He Y., B. , Li, B. , Liu, M. , Zhang, C. , Lv, W. , Yang, C. , Li, J. , Du, H. , Zhang, B. , Yang Q., H. , Kim J., K. , Kang, F. , Sci. Rep., 2012, 2, 913- 921
[9]	Aldon, L. , Kubiak, P. , Womes, M. , Jumas, J. , Olivier-Fourcade, J. , Tirado, J. , Corredor, J. , Perez Vicente, C. , Chem. Mater., 2004, 16, 5721- 5725
[10]	Yi T., F. , Xie, Y. , Zhu Y., R. , Zhu R., S. , Shen, H. , J. Power Sources, 2013, 222, 448- 454
[11]	Lin, C. , Ding, B. , Xin, Y. , Cheng, F. , Lai M., O. , Lu, L. , Zhou, H. , J. Power Sources, 2014, 248, 1034- 1041
[12]	Park J., S. , Baek S., H. , Jeong Y., I. , Noh B., Y. , Kim J., H. , J. Power Sources, 2013, 244, 527- 531
[13]	Li, X. , Tang, S. , Qu, M. , Huang, P. , Li, W. , Yu, Z. , J. Alloys Compd., 2014, 588, 17- 24
[14]	Qi, Y. , Huang, Y. , Jia, D. , Bao S., J. , Guo Z., P. , Electrochim. Acta, 2009, 54, 4772- 4776
[15]	Li C., C. , Yin X., M. , Chen L., B. , Wang T., H. , ACS Appl. Mater., Interfaces , 2012, 4 , 6402
[16]	Wang G., J. , Gao, J. , Fu L., J. , Zhao N., H. , Wu Y., P. , Takamura, T. , J. Power Sources, 2007, 174, 1109- 1112
[17]	Wan, Z. , Cai, R. , Jiang, S. , Shao, Z. , J. Mater. Chem., 2012, 22, 17773- 17781
[18]	Park K., S. , Benayad, A. , Kang D., J. , Doo S., G. , J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 14930- 14931
[19]	Zhao, L. , Hu Y., S. , Li, H. , Wang, Z. , Chen, L. , Adv. Mater., 2011, 23, 1385- 1388
[20]	Wang, Y. , Liu, H. , Wang, K. , Eiji, H. , Wang, Y. , Zhou, H. , J. Mater. Chem., 2009, 19, 6789- 6795
[21]	Ding, Z. , Zhao, L. , Suo, L. , Jiao, Y. , Meng, S. , Hu Y., S. , Wang, Z. , Chen, L. , Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 15127- 15133
[22]	Guo, X. , Xiang H., F. , Zhou T., P. , Ju X., K. , Wu Y., C. , Electrochim. Acta, 2014, 130, 470- 476
[23]	Zhao, Z. , Xu Y., L. , Ji M., D. , Zhang, H. , Electrochim. Acta, 2013, 109, 645- 650

N掺杂C包覆Li₄Ti₅O₁₂锂离子电池负极材料的制备与性能

Preparation and Performance of N-doped Carbon Coated Li₄Ti₅O₁₂ as Anode Material for Lithium-ion Batteries^†

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[1]	贾洋刚, 邵霞, 程婕, 王朋朋, 冒爱琴. 赝电容控制型钙钛矿高熵氧化物La(Co_0.2Cr_0.2Fe_0.2Mn_0.2Ni_0.2)O₃负极材料的制备及储锂性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220157.
[2]	吴卓彦, 李至, 赵旭东, 王倩, 陈顺鹏, 常兴华, 刘志亮. 一步法高效制备纳米Si/C复合材料及其在高性能锂离子电池中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2500.
[3]	田润赛, 卢芊, 张洪滨, 张渤, 冯源源, 魏金香, 冯季军. 氮杂碳原位包覆Cu₂O/Co₃O₄@C异质结构复合材料的设计构筑及高效储锂性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2592.
[4]	杨思娴, 钟文钰, 李超贤, 苏秋瑶, 许炳佳, 何谷平, 孙丰强. 聚苯胺纳米线/SnO₂复合光催化材料的光化学制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1942.
[5]	韩慕瑶, 赵丽娜, 孙洁. 硅及硅基负极材料的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3547.
[6]	叶一桦, 巴德良, 刘帅磊, 陈颍霖, 李园园, 刘金平. 高倍率铌基氧化物负极材料的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3005.
[7]	任文, 张国立, 闫涵, 胡兴华, 李焜, 王景凤, 李瑞琦. 超疏水聚苯胺/聚四氟乙烯复合膜的制备及油-水乳液分离性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(4): 846.
[8]	荣华, 王春刚, 周明. 用作锂离子电池负极的FeS₂微球的制备及性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(3): 447.
[9]	令旭霞, 龙柱, 王士华, 李志强, 郭帅, 张丹. 聚苯胺表面修饰芳纶浆粕及其纸基材料的导电性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(11): 2553.
[10]	王乙涵,尹强,杜凯,殷勤俭. 聚吡咯/聚苯胺二元复合纳米管及其热电性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(1): 175.
[11]	王琳, 张艳慧, 阿孜古丽·木尔赛力木, 兰海蝶. 以PS-b-P2VP为模板剂诱导调控聚苯胺形貌、尺寸及电化学性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1748.
[12]	方亮, 丁晓丽, 宋云, 柳东明, 李永涛, 张庆安. 钙钛矿型LaCoO₃电化学储锂的形貌调制效应[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(7): 1456.
[13]	林伟国, 孙伟航, 曲宗凯, 冯晓磊, 荣峻峰, 陈旭, 杨文胜. 锂离子电池负极材料纳米多孔硅/石墨/碳复合微球的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(6): 1216.
[14]	赵宇轩, 陈艳君, 潘顾鑫, 王畅, 彭振博, 孙宗旭, 梁永日, 师奇松. 静电纺丝制备Tb-PEG+Eu-PEG/PANI/PAN荧光导电相变三功能复合纤维[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(4): 824.
[15]	刘奔, 张行颖, 陈韶云, 胡成龙. 一维有序聚苯胺纳米阵列的制备及电化学储能性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(3): 498.