中文摘要：

本项目针对钛酸锂作为锂离子动力电池负极所存在的电子电导率低、大倍率性能差等缺点，提出用氮化-氧化法制备N掺杂Li4Ti5O12/TiO2核壳式复合电极，以期改善Li4Ti5O12的倍率性能。采用高能球磨辅助固相法，在氨气氛下合成TiN包覆的N-Li4Ti5O12，然后在氧化气氛下进行低温限制性焙烧，获得N掺杂Li4Ti5O12/TiO2复合电极。通过对此制备过程中的气-固，固-固反应动力学及机理进行深入研究，获得对制备过程物理化学本质的深入认识，获得具有优异电化学性能的N-Li4Ti5O12/TiO2复合电极，对合成电极的界面化学过程、离子电子传输特性，及N-Li4Ti5O12与TiO2的协同效应进行深入研究，进而为新电极材料开发提供理论指导。

结论摘要：

尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12)负极材料因其使用寿命长、安全性高和热稳定性好等特点，非常适合用于大功率储能及动力电源。然而，由于Li4Ti5O12的电子电导率低及锂离子扩散系数低而引起的倍率性能差成为了制约其发展的主要障碍。本课题旨在通过掺杂和包覆来改善Li4Ti5O12的倍率性能。课题主要研究了氮化、氧化Li4Ti5O12的制备及作用机理。另外也研究了TiO2、SnO2及SiO2等氧化物与Li4Ti5O12复合物的的制备及其性能影响。由于TiN具有高电子电导率，课题首先研究了一步固相法制备TiN包覆的N掺杂Li4Ti5O12材料。重点考察氨气浓度对产物晶胞结构、颗粒形貌、粉体结构等的影响。研究结果表明，高温下具有还原性的氨气会将Li4Ti5O12中的Ti4+还原成Ti3+，并形成Li4Ti5O12的N掺杂与TiN包覆。研究发现，目标产物的电子电导率及TiN包覆的厚度都与氨气的浓度紧密相关，同时在该还原性氛围中制备得到的粉体的形貌不同于空气氛围焙烧粉体的形貌，是呈片状堆积，振实密度高达1.9 g cm-3。研究发现一个非常有意思的现象，与单纯的N掺杂相比，TiN的包覆并不利于目标产物的容量提高，究其原因是本法制备的致密的TiN膜不利于锂离子的扩散。电化学测试结果表明在3% NH3–N2氛围焙烧得到的产物的性能最好，在20 C的倍率条件下放电比容量可达到103 mAh g-1，循环100次后衰减率仅为3 %。 TiN虽然具有高电子电导率，但却不利于锂离子的扩散。因此课题在此基础上提出氮化-氧化法制备TiO2包覆N掺杂Li4Ti5O12复合物。课题详细考察了反应物中Li:Ti的比例、二次焙烧温度及二次焙烧时间对Li4Ti5O12的结构、形貌及电化学性能的影响，并优化了复合物的制备工艺条件。研究结果表明，在反应物Li : Ti摩尔比为1 : 1.4，二次焙烧温度为600 ℃，二次焙烧时间为6 h时，所得产物的倍率性能最优异。其20 C的倍率下的放电比容量可达到140 mAh g-1，且20C循环100次后几乎无衰减。论文进一步探讨了TiO2包覆N掺杂Li4Ti5O12复合物性能提高的原因。复合物性能提高的原因可能有二一是少量N掺杂在LTO的O2-位，产生了氧空穴或使Ti4+转化为Ti3+，使电导率大大提高；二表面部分包覆的无定形TiO2与Li4Ti5O12复合