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第 7 期                         于小林，等: Li 4 Ti 5 O 12 -C 复合材料的制备及性能                       ·1217·


                 Collaborative Innovation Center of Manganese-Zinc-Vanadium Industrial Technology; Postgraduate Research
                 Project of College of Chemistry and Chemical Engineering of Jishou University


                 目前，商业化锂离子电池负极材料多为碳材料。                         碳的质量分数分别为 1%、3%、5%和 10%。再加入
            但碳材料存在安全性能差、容易引起火灾等缺点                     [1-2] 。  少量无水乙醇作为分散剂，充分研磨，在氩气气氛
            钛酸锂（Li 4 Ti 5 O 12 ，以下简称 LTO）是一种循环性                下以 5 ℃/min 的升温速率升到 800 ℃，保温 10 h，
            能优良的“零应变”材料，其理论放电比容量为 175                          自然冷却至室温，得到不同碳质量分数的 LTO-C，分
                                                +
            mA·h/g，工作电位为 1.56 V（vs. Li/Li ），该材料                别记为 LTO-C 1%、LTO-C 3%、LTO-C 5%、LTO-C
            可避免固体电解质界面膜（SEI）的形成，以及电解                           10%。
            液的分解     [3-4] ，被认为是最具商业价值的锂离子电池                   1.3   表征
            负极材料之一。但 LTO 电导率低，锂离子扩散系数                              采用 EDS 能谱和热重技术检测样品中碳的质量
                                     [5]
            小，导致其大倍率性能较差 。                                     分数；采用 X 射线衍射仪进行样品的物相分析〔Cu
                 改善 LTO 倍率性能的常用方法有颗粒细化、离                       靶 Kα辐射，管电压 30 kV，管电流 20 mA，扫描范
            子掺杂、表面包覆导电相材料（如 Ag、Cu、C 等）                         围 10°~80°，扫描速度 6（°）/min）〕；采用扫描电子
            及复合改性等       [6-11] 。其中，碳包覆是一种有效的改                 显微镜对合成样品进行形貌分析。
            性方法。目前，大多数文献以蔗糖、葡萄糖、淀粉、                            1.4   电池的组装
            柠檬酸、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等为碳源来合成                                将 LTO-C、导电剂乙炔黑和粘结剂聚偏氟乙烯
            复合材料 LTO/C。比如，Ren          [10] 等以 PVP 为碳源，        按质量比 8∶1∶1 混合后，加入溶剂 N-甲基-2-吡咯
            采用固相法合成 LTO/C 复合材料，但 PVP 为碳源合                      烷酮，湿磨成均匀浆料，然后涂敷在 Cu 箔上。在
            成成本较高。叶静雅          [12] 以葡萄糖为碳源，采用非原               120 ℃下干燥 4 h，经裁剪（直径 14 mm）作为电极。
            位复合法合成 LTO/C，但该法存在合成时间长，且                          金 属锂片 作为 对电极 ，隔 膜为微 孔聚 丙烯 膜
            大倍率下稳定性差等缺点。王姣丽                 [13] 以葡萄糖为碳        （Celgard 2400），电解液为 1 mol/L LiPF 6 溶液（碳
            源，采用非原位固相法制备 LTO/C，但制得的样品                          酸乙烯酯与碳酸二甲酯的体积比为 1∶1），在充满
            团聚现象较为严重。                                          氩气的手套箱中组装成 CR2023 型纽扣电池。
                 基于此，本文以廉价的葡萄糖为碳源，以 Li 2CO 3、                  1.5   电化学性能测试
            TiO 2 为原料，采用原位复合法合成 LTO-C 复合负极                         采用恒流充放电测试仪在不同的倍率下对电池
            材料，并对其结构、形貌及电化学性质进行了考察。                            进行恒流充放电测试，电压范围为 1.0~2.5 V。采用
            本文的结果对制备性能优良的锂离子电池负极材料                             电化学工作站对电池进行交流阻抗和循环伏安测
            具有一定的理论指导意义。                                       试，其中，交流阻抗测试频率范围为 0.01~100 kHz，循
                                                               环伏安测试电压范围为1.0~2.5 V，扫描速率为0.1 mV/s。
            1   实验部分
                                                               2   结果与讨论
            1.1    主要试剂与仪器
                 Li 2 CO 3 、TiO 2 、葡萄糖（AR，上海阿拉丁生化              2.1  X 射线衍射分析
            科技股份有限公司）；无水乙醇（AR，天津市科密                                不同碳质量分数 LTO-C 的 X 射线衍射图见图 1。
            欧化学试剂有限公司）。
                 SKC-6-12 型节能程控管式炉（杭州卓驰仪器有
            限公司）；D/max-ⅢA 型 X 射线衍射仪（日本 Rigaku
            公司）；S-3400 N 型扫描电子显微镜（日本 Hitachi
            公司）；ZKX 型真空手套箱（南京大学仪器厂）；
            CHI660E 型电化学工作站（上海辰华仪器有限公
            司）；BST-5V5 mA 型电池性能测试系统（深圳市新
            威尔电子有限公司）。
            1.2   合成

                 按锂与钛物质的量比为 4.2∶5.0 称取 0.6206 g
                                                                   图 1   不同碳质量分数 LTO-C 的 X 射线衍射图
            Li 2CO 3 和 1.5978 g TiO 2 ，倒入研钵，分别加入 0.0468、       Fig. 1    XRD patterns of  LTO-C  with different  mass
            0.1425、0.2413、0.5086 g 的葡萄糖，使合成产物中                       fractions of carbon
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