不同粒径的纳米二氧化钛合成钛酸锂负极材料*

吕　婧，左玉香，黄　兵，管　阳

（盐城师范学院 化学化工学院，江苏 盐城 224002）

不同粒径的纳米二氧化钛合成钛酸锂负极材料*

吕婧，左玉香*，黄兵，管阳

（盐城师范学院 化学化工学院，江苏 盐城 224002）

以锐钛矿TiO2为钛源，LiAc为锂源，采用高温固相法制备Li4Ti5O12负极材料，考察了不同纳米粒径的TiO2对Li4Ti5O12电化学性能的影响。X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析表明，合成的样品为结晶度高的纳米级尖晶石结构的Li4Ti5O12。0.2C倍率的充放电结果表明，LTO60性能最好，首次放电容量为178.82mAh·g-1，100次循环后容量保持率高达97.39%。

锂离子电池；Li4Ti5O12；高温固相法；负极材料

锂离子电池作为“绿色电池”，与传统的二次电池相比，其具有工作电压高、自放电率低、循环寿命长等优点，近20年来得到广泛应用。Li4Ti5O12作为锂离子电池负极材料，具有较多的优点，诸如理论容量较高、电极电位较正。且锂离子在嵌入、脱出时，由于晶格常数、体积变化极小，故称之为“零应变”材料，从而具有很好的循环稳定性。但是其倍率性能欠佳，而提高其功率性能，就要增强电极材料自身的扩散能力。众所周知，纳米尺度的材料的扩散能力非常显著，因此，纳米颗粒不仅增强了锂离子嵌入活性，而且可以获得更高的倍率容量，改善倍率性能。因此，本文以不同纳米粒经的TiO2为原料合成纳米级的Li4Ti5O12，以期改善其电化学性能［1-5］。

1　实验部分

1.1样品合成

以不同纳米粒径的锐钛矿TiO2为钛源，醋酸锂为锂源，采用高温固相法合成Li4Ti5O12。25nm TiO2超声分散于去离子水中，加入Li4Ti5O12（（nLi∶Ti=0.84）磁力搅拌2h，80℃蒸发溶剂后真空干燥，得钛酸锂前驱体。前驱体在马弗炉中，空气气氛下850℃保温12h，自然冷却至室温，充分研磨即得尖晶石型的

Li4Ti5O12材料，记为LTO25。

用40，60，100nm锐钛矿TiO2重复上述实验，所得样品记为LTO40，LTO60，LTO100。

1.2样品表征及电化学测试

用BRUKER D8型X射线衍射仪分析样品的晶体结构；采用HITACHI S-4800型扫描电子显微镜观察样品的形貌。

按照质量比为80∶10∶10称量负极活性物质钛酸锂粉体，导电剂乙炔黑，粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF），以N-甲基吡咯烷酮（NMP）为溶剂制备均匀的浆料，涂覆在铝箔上，烘干后，裁成直径约12mm的圆形极片，120℃真空干燥12h。在高纯Ar的手套箱中，以制备的Li4Ti5O12圆形极片为负极，金属锂片作对电极，采用Celgard 2400（PE）膜作电池隔膜，1 mol·L-1的LiPF6/（EC+DEC）（1∶1，体积比）溶液为电解液组装成CR2016型扣式半电池，静置12h后进行测试。采用Land CT2001A电池测试系统在25℃恒温下，在1～2.5V电压范围内，以0.2C的倍率进行充放电，对合成电极材料的充放电比容量，循环性能作了相应的研究与分析。

2　结果与讨论

2.1XRD与SEM分析

图1（a）为LTO60样品XRD图谱，图1（b）为60nm粒径锐钛矿TiO2XRD图谱。

图1　钛酸锂的XRD图Fig.1　XRD images of lithium titanate

由图1可知，TiO2已经完全转化成了尖晶石型Li4Ti5O12相，特征衍射峰峰形尖而窄，样品结晶度较高。

图2　钛酸锂的SEM图Fig.2　SEM images of？Lithium titanate

由图2扫描电镜图可以看出，LTO60样品分散性好，粒径比较均匀。

2.2TiO2粒径对样品电化学性能的影响

图3为不同粒径的纳米TiO2合成的Li4Ti5O12样品首次充放电曲线图。图4为60nm粒径TiO2合成的钛酸锂100次放电循环图。由图3可知，Li4Ti5O12样品的首次充电容量高达178.82mAh·g-1，首次效率接近100%。且其100次循环后放电容量为174.16 mAh·g-1，容量保持率高达97.39%。

图3　LTO首次充放电曲线Fig.3　The charge and discharge curves of LTO

图4　LTO60循环性能曲线Fig.4　Loop performance curve of LTO60

3　结论

由于纳米粒子能够有效缓解锂离子嵌入、脱出时引起材料结构的变化，而且使得电子、离子传输距离缩短，且比表面积大与电解液充分接触，从而提高材料的电化学性能。实验结果表明，纳米TiO2合成的Li4Ti5O12性能优异，60nm的性能最好。

［1］ 王亚萍，南辉，杨盼，等.钛酸锂纳米颗粒的可控制备及其电化学性能研究［J］.陶瓷学报，2015，（6）：578-582.

［2］ 赵朔，张勇，孙雷明，等.球形钛酸锂的制备工艺对其电化学性能的影响［J］.材料导报，2015，22：20-24.

［3］ 王浩，沙鸥，乔智，等.两步固相法合成具有优良性能的钛酸锂［J］.电源技术，2015，（4）：682-684.

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Synthesis and properties of lithium titanate anode material prepared by different sizes of titanium dioxide*

LV Jing，ZUO Yu-xiang*，HUANG Bing，GUAN Yang
（School of chemistry&Chemical Engineering，Yancheng Teachers University，Yancheng 224002，China）

Li4Ti5O12powders were prepared with high temperature solid state reaction method by titanium dioxide as titanium source and lithium acetate as lithium source.The influences of titanium dioxide grain size on the electrochemical properties to lithium titanate were described.X-ray diffraction（XRD）and scanning electron microscope（SEM）show that，the sample was high crystallinity nano-sized lithium titanate of spinel structure.The charge-discharge performances at 0.2C rate showed that the performance of LTO60was the best.The first discharge capacity is 178.82mAh·g-1with retention ratio of 97.39%after 100 cycles.

lithium ion battery；lithium titanate；high temperature solid state method；negative electrode materials

O646

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160784

2016-04-03

校级自然科学研究项目（15YCKLQ004）

左玉香（1978-），女，讲师，2005年苏州大学课程与教学论（化学）专业，硕士研究生，近年来从事催化剂应用及锂离子电池正极材料的研究。