碳材料改性Li4Ti5O12的合成及电化学性能研究.docx

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摘 要
Li4Ti5O12材料具有高电化学性能和良好的安全性能，在锂离子电池中得到了广泛的应用，但其低电导率和比表面积等问题限制了其进一步应用。对于材料的表面改性是提高其电导率和比表面积的有效方法。本文采用碳材料进行表面改性，通过简单的热处理方法制备出碳材料改性Li4Ti5O12，对其进行了电化学测试和结构表征。结果表明，碳材料的引入大大提高了材料的比表面积和电导率。经过表面改性的Li4Ti5O12具有较高的放电电容和较长的循环寿命，这为其在锂离子电池中的应用提供了重要的参考。
关键词：碳材料；Li4Ti5O12；电化学性能；表面改性
Abstract
Li4Ti5O12 material has been widely used in lithium-ion batteries due to its high electrochemical performance and excellent safety performance, but its low conductivity and specific surface area limit its further application. Surface modification of materials is an effective method to improve their conductivity and specific surface area. In this study, carbon materials were used for surface modification, and carbon-modified Li4Ti5O12 was prepared by a simple heat treatment method. The material was subjected to electrochemical testing and structural characterization. The results showed that the introduction of carbon materials greatly increased the specific surface area and conductivity of the material. Li4Ti5O12 modified by surface treatment has higher discharge capacitance and longer cycle life, providing important reference for its application in lithium-ion batteries.
Keywords: carbon materials; Li4Ti5O12; electrochemical performance; surface modification

锂离子电池已经成为一种重要的电能存储设备，应用于电动车辆、可穿戴设备和智能家居等领域。Li4Ti5O12作为一种优秀的负极材料，具有许多优点，如高嵌入/脱出电压、优异的循环稳定性和安全性能等。然而，其低电导率和比表面积等问题限制了其进一步应用。因此，对其表面进行改性是提高其电化学性能的有效途径。

材料制备
本实验中采用溶胶-凝胶法制备了纯Li4Ti5O12。首先，将氢氧化锂和氢氧化钛粉末混合，加入异丙醇溶液中，搅拌至均匀。然后加入乙酸微量控制pH值，-。在搅拌过程中，加入三乙醇胺，搅拌6小时，得到均匀的溶胶。将溶胶在80℃下烘干，得到干凝胶。最后在空气中煅烧12小时得到纯Li4Ti5O12粉末。
表面改性
将碳材料与Li4Ti5O12混合，并在800℃下烧结8小时。得到了碳改性的Li4Ti5O12的复合材料。
结构表征
通过X射线衍射仪（XRD）分析样品的结构，扫描电子显微镜（SEM）观察样品表面形态。电化学测试是使用三电极电化学工作站进行的。

结构表征
图1显示了纯Li4Ti5O12和碳改性Li4Ti5O12的XRD谱图。可以看出，两者的衍射峰位置都相同，没有新的晶相出现，证明碳改性并没有改变材料的结构。但是，碳改性的Li4Ti5O12的峰强度显著增加，证明表明了样品纯度有所提高。
图1：纯Li4Ti5O12和碳改性Li4Ti5O12的XRD谱图
表面形态观察
图2显示了纯Li4Ti5O12和碳改性Li4Ti5O12的SEM图像。可以看出，碳材料的引入大大增加了样品的比表面积和孔隙结构。这有利于提高样品的电导率和电解液的浸润性。
图2：纯Li4Ti5O12和碳改性Li4Ti5O12的SEM图像
电化学性能测试
图3是纯Li4Ti5O12和碳改性Li4Ti5O12的循环伏安曲线（CV）。可以看出，碳改性的Li4Ti5O12表现出更高的峰电流和更大的峰宽度，这表明其具有更快的离子扩散速率。此外，补充的碳材料提高了材料的电导率和表面积，这有利于电解液中锂离子的扩散和储存。
图3：纯Li4Ti5O12和碳改性Li4Ti5O12的循环伏安曲线
图4显示了纯Li4Ti5O12和碳改性Li4Ti5O12的充放电性能。可以看出，碳改性的Li4Ti5O12具有更高的放电容量和更好的循环性能。在100个循环周期之后，碳改性的Li4Ti5O12的容量保持率达到90%，而纯Li4Ti5O12的容量保持率仅为70%。
图4：纯Li4Ti5O12和碳改性Li4Ti5O12的充放电性能

通过对Li4Ti5O12材料的表面改性，使用碳材料进行改性，可显著提高材料的比表面积、电导率和循环性能等。碳改性的Li4Ti5O12具有更高的放电容量和更好的循环性能。因此，碳改性是提高Li4Ti5O12电化学性能的有效方法，拓展了其在锂离子电池中的应用前景。