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锂电池负极材料│掺杂尖晶石相钛酸锂的XRD表征

尖晶石相钛酸锂,超级快充堪称奇

作为锂离子电池新型负极材料之一,尖晶石相钛酸锂(Li4Ti5O12)在锂离子嵌入和脱嵌过程中,晶格常数变化不到1%,晶体结构能够保持高度稳定性,被称为“零应变”电极材料,能够避免充放电循环中由于电极材料的体积变化而导致的结构破坏,从而极大提高了电极的循环性能和使用寿命。
 

钛酸锂具有尖晶石结构,可提供锂离子快速运动的三维通道,锂离子的扩散系数比常规的碳材料大一个数量级;此外,钛酸锂具有更高的电位(比金属锂的电位高1.55V),表面不易生成半透膜(SEI膜)和锂枝晶;因此,相对于广泛使用的碳负极材料来说,钛酸锂负极材料可实现更快的充放电速度及承受更大的充电电流。据悉用钛酸锂做电极材料的电动公交,最快可以在6-10分钟充满电。

 

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掺杂镁铝何所至,衍射谱图有秘密

钛酸锂虽然具有一系列优异特性,但本身的导电性能很差,大电流放电易产生较大极化,因此业内通常采用掺杂的方式,如用Mg2+等2价金属取代Li+离子以提高其导电能力。

 

吉林体彩网图1为某掺Mg钛酸锂样品的衍射谱图及物相鉴定结果,并标出了各衍射峰的衍射指数。衍射谱图中峰形尖锐,说明结晶良好。物相鉴定显示为纯相的尖晶石结构,没有明显的杂质相衍射峰,这表明样品中Mg掺杂以固溶体的形式存在。

 

 


值得注意的是(220)峰有一定的强度。纯相的钛酸锂晶胞内,(220)晶面只有Li+离子存在,由于Li+离子原子散射因子很小,对X射线衍射不敏感,可以简单认为Li对于X射线衍射是近乎透明的存在,因此一般情况不会观测到(220)衍射峰。而这里能够观察到明显的(220)衍射峰,说明是掺杂的Mg2+取代了部分Li而致。换言之,从XRD的谱图可以推测微观上Mg原子的排列情况。

 

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晶粒尺寸亦有义,全谱精修能解析

吉林体彩网使用MAUD软件对上述数据进行Rietveld精修,依次调整标度因子、背景函数、晶格常数、峰形参数、原子坐标、温度因子等参数,使得计算谱与实测谱基本重合。图2给出了掺镁钛酸锂材料的全谱拟合结果。可以看出,整体拟合较好,误差线较为平直。

 

 

吉林体彩网精修完成后,从MAUD软件可以直接读出晶粒尺寸为93nm。有研究表明,钛酸锂晶粒尺寸与快速充放电性能亦密切相关,晶粒越细小,锂离子嵌入反应路径短,越有利于大电流充放电。类似的步骤可以用于钛酸锂电极材料的研发和质量控制工作。

 

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