CN101764212A - 一种锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂的制备方法，其步骤如下：首先按摩尔比Li∶Ti＝1∶(1.15～1.2)的比例称取锂盐和二氧化钛，加入稀土化合物和分散剂，用球磨机研磨0.5～5h，使原料充分混合；然后将混合物在空气或氧气下于750～1000℃下焙烧4～32h，自然降温至常温，得到Li₄Ti₅O₁₂/稀土氧化物复合电极材料。利用本发明的制备方法不仅Li₄Ti₅O₁₂复合电极材料的导电性能好，而且充放电性能好；能够制备出100～300nm细小晶粒的Li₄Ti₅O₁₂复合电极材料；工艺简单易得，成本低。

Description

一种锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂制备方法

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，尤其是指一种用于锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、无环境污染等特点，已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等便携式电子设备中，并向电动汽车、卫星及航天等领域拓展应用空间。

目前商品化的锂离子电池负极材料大多采用各种嵌锂碳材料。这种碳材料存在易析出锂枝晶、首次充放电效率低、与电解液发生作用、存在明显的电压滞后、制备方法比较复杂等缺点。因此，寻找一种放电效率高、廉价易得、安全可靠的新型负极材料是必要和迫切的。目前尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂是广受关注的材料之一。Li₄Ti₅O₁₂具有明显的优势：1)是一种零应变材料，循环性能好；2)有很好的充放电平台，且电位比碳负极的稍正，避免了锂枝晶析出；3)理论比容量为175mAh/g，实际比容量可达165mAh/g，并集中在平台区域；4)不与电解液反应形成SEI膜，充放电效率高；4)价格便宜，容易制备。因此，与碳负极材料相比，Li₄Ti₅O₁₂具有更好的电化学性能和安全性。

然而，Li₄Ti₅O₁₂的导电性和大电流充放电性能差，限制其在锂离子电池中的应用。目前解决导电性问题的方法主要有：1)以镁、铝、锶、钡等金属掺杂置换部分锂或钛，增加电子或空穴；2)采用高能球磨，将电极材料细化，缩短锂离子扩散距离；3)掺杂碳制备复合电极材料，既提高电子导电性，又可细化材料粒径，缩短锂离子扩散距离；4)包覆银、铜制备复合电极材料，提高电子导电性；5)采用水热法、溶胶-凝胶法等制备纳米钛酸锂。非等价金属离子掺杂置换虽提高了电子导电性，但大都使容量、循环性有所下降；Li₄Ti₅O₁₂/C复合电极的大电流充放电性能可得到一定改善，但制备过程中增加了惰性气氛保护等工艺，工艺控制的复杂性和生产成本加大；而水热法、溶胶-凝胶法、包覆银铜制备复合电极材料法，工业化大规模生产难度较大；采用高能球磨法虽可使材料颗粒细化，但很难使晶粒减小，大电流充放电性能改善不明显。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂的制备方法，利用本发明的制备方法不仅Li₄Ti₅O₁₂复合电极材料的导电性能好，而且充放电性能好；能够制备出100～300nm细小晶粒的Li₄Ti₅O₁₂复合电极材料；工艺简单易得，成本低。

为达到上述目的，一种锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂的制备方法，其步骤如下：

1)按摩尔比Li∶Ti＝1∶(1.15～1.2)的比例称取锂盐和二氧化钛，加入稀土化合物和分散剂，用球磨机研磨0.5～5h，使原料充分混合；

2)将混合物在空气或氧气下于750～1000℃下焙烧4～32h，自然降温至常温，得到Li₄Ti₅O₁₂/稀土氧化物复合电极材料。

本发明的锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂制备方法，仍采用的是传统的高温固态反应，但通过在原料中添加少量稀土化合物，以稀土化合物作晶粒生长抑制剂，即制备出100～300nm细小晶粒的钛酸锂。该方法的原料简单易得，制备工艺简单，直接在空气或氧气中制备，无需惰性气氛保护，容易在工业上实施，且成本低。该方法所制备Li₄Ti₅O₁₂/稀土氧化物复合电极材料晶粒细小均匀、容量高、大电流充放电性能好，导电性能好。

作为具体化，锂盐和二氧化钛中Li和Ti的摩尔比为1∶(1.16～1.18)，加入稀土化合物和分散剂，研磨2～3.5h充分混合；然后将混合物在空气或氧气下于800～900℃下焙烧10～20h，自然降温至常温，得到Li₄Ti₅O₁₂/稀土氧化物复合电极材料。

作为具体化，锂盐和二氧化钛中Li和Ti的摩尔比为1∶1.18，加入稀土化合物和分散剂，研磨2h充分混合；然后将混合物在空气下于600℃下预烧6h，然后再在850℃下焙烧10h，自然降温至常温，得到Li₄Ti₅O₁₂/稀土氧化物复合电极材料。

作为具体化，锂盐和二氧化钛中Li和Ti的摩尔比为1∶1.16，加入稀土化合物和分散剂，研磨3h充分混合；然后将混合物在空气下于900℃下焙烧20h，自然降温至常温，得到Li₄Ti₅O₁₂复合电极材料。

作为具体化，所述的锂盐是指氢氧化锂、碳酸锂、氧化锂、硝酸锂、甲酸锂、醋酸锂、草酸锂中的一种或几种。

作为具体化，所述稀土化合物是指镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥的金属氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐、甲酸盐、醋酸盐、草酸盐中的一种或几种。

作为具体化，所述分散剂是指水、无水乙醇或丙酮。

作为具体化，所述稀土氧化物的含量为所制备复合电极材料总质量的0.5％～10％。

附图说明

图1为实施例1的X射线衍射图；

图2为实施例2的X射线衍射图；

图3为实施例3的X射线衍射图；

图4为实施例4的X射线衍射图；

图5为比较例的X射线衍射图；

图6为实施例1的颗粒形貌；

图7为实施例2的颗粒形貌；

图8为实施例3的颗粒形貌；

图9为实施例4的颗粒形貌；

图10为比较例的颗粒形貌；

图11为实施例和比较例的充放电性能。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细的说明。

实施例1

按摩尔比Li∶Ti＝1∶1.18的比例称取Li₂CO₃和TiO₂，按CeO₂占所制备Li₄Ti₅O₁₂/CeO₂复合电极材料总质量3％的量加入CeO₂，然后加入无水乙醇作分散剂，用球磨机研磨2h，使原料充分混合，空气中干燥后将混合物转移至坩锅，放入马弗炉中，先在600℃下预烧6h，然后再在850℃下煅烧10h，得到Li₄Ti₅O₁₂/CeO₂复合电极材料。

采用日本XRD-7000型X射线衍射分析仪对所制负极材料进行物相结构分析如图1所示；采用HITCHI-S3500型扫描电子显微镜对所制成的负极复合材料Li₄Ti₅O₁₂/CeO₂进行SEM形貌分析如图6所示。

将所制Li₄Ti₅O₁₂/CeO₂粉体和作为导电剂的乙炔黑以及作为粘结剂的PVDF按质量分数比88∶6∶6的比例进行混合，加入溶剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)后，在研钵中研磨成凝胶状物；将此凝胶状物均匀涂布在铝箔上，110℃空气鼓风干燥，切片，用压片机10MPa压片，制成极片。将极片在120℃的真空干燥箱中干燥12h后置于充满氩气的手套箱中，组装测试电池。对电极为金属锂片，电解液为1.15mol·L^-1LiPF₆的碳酸乙烯酯(EC)-碳酸二甲酯(DMC)-碳酸二乙酯混合溶液(质量比：EC∶DMC∶DEC＝3∶1∶1)，隔膜为美国Celgard公司的Celgard2400微孔薄。在0.8-2.7V之间，组装好的电池以35mA/g的电流充放电化成3周后，再以175mA/g的电流充放电循环20周，考察材料的充放电性能如图11所示的曲线1。

实施例2

按摩尔比Li∶Ti＝1∶1.16的比例称取Li₂O和TiO₂，按La₂O₃占所制备Li₄Ti₅O₁₂/La₂O₃总质量2％的量加入La(NO₃)₃·6H₂O，然后加入丙酮作分散剂，用球磨机研磨3h，使原料充分混合，空气中干燥后将混合物转移至坩锅，放入马弗炉中进行煅烧得到Li₄Ti₅O₁₂/La₂O₃复合电极材料。煅烧条件同实施例1。

对所制Li₄Ti₅O₁₂/La₂O₃粉体进行X射线衍射物相分析如图2所示、SEM形貌分析如图7所示和充放电性能测试如图11所示的曲线2。测试条件同实施例1。

实施例3

按摩尔比Li∶Ti＝1∶1.15的比例称取LiOH和TiO₂，按Pr₆O₁₁占所制备Li₄Ti₅O₁₂/Pr₆O₁₁复合电极材料总质量0.5％的量加入Pr(OH)₃，然后加入丙酮作分散剂，用球磨机研磨0.5h，使原料充分混合，空气中干燥后将混合物转移至坩锅，放入马弗炉中进行煅烧得到Li₄Ti₅O₁₂/Pr₆O₁₁复合电极材料。煅烧条件同实施例1。

对所制Li₄Ti₅O₁₂/Pr₆O₁₁粉体进行X射线衍射物相分析如图3所示、SEM形貌分析如图8所示和充放电性能测试如图11所示的曲线3。测试条件同实施例1。

实施例4

按摩尔比Li∶Ti＝1∶1.2的比例称取CH₃COOLi和TiO₂，按Nd₂O₃占所制备Li₄Ti₅O₁₂/Nd₂O₃复合电极材料总质量10％的量加入Nd(CH₃COO)₃·5H₂O，然后加入丙酮作分散剂，用球磨机研磨5h，使原料充分混合，空气中干燥后将混合物转移至坩锅，放入马弗炉中进行煅烧得到Li₄Ti₅O₁₂/Nd₂O₃复合电极材料。煅烧条件同实施例1。

对所制Li₄Ti₅O₁₂/Nd₂O₃粉体进行X射线衍射物相分析如图4所示、SEM形貌分析如图9所示和充放电性能测试如图11所示的曲线4。测试条件同实施例1。

比较例

按摩尔比Li∶Ti＝1∶1.18的比例称取Li₂CO₃和TiO₂，然后加入丙酮作分散剂，用球磨机研磨4h，使原料充分混合，空气中干燥后将混合物转移至坩锅，放入马弗炉中进行煅烧得到Li₄Ti₅O₁₂电极材料。煅烧条件同实施例1。

对所制Li₄Ti₅O₁₂粉体进行X射线衍射物相分析如图5所示、SEM形貌分析如图10所示和充放电性能测试如图11曲线5所示。测试条件同实施例1。

实施例1-4与比较例对比

图1～图4显示，采用比较例所制备材料为单一尖晶石相Li₄Ti₅O₁₂；而实施例1至实施例4所制材料分别为Li₄Ti₅O₁₂/CeO₂、Li₄Ti₅O₁₂/La₂O₃、Li₄Ti₅O₁₂/Pr₆O₁₁和Li₄Ti₅O₁₂/Nd₂O₃两相复合电极材料。图6～图9显示，比较例所制备Li₄Ti₅O₁₂材料的晶粒粒径约0.5～1μm，而实施例1、实施例2、实施例3和实施例4所制Li₄Ti₅O₁₂/CeO₂、Li₄Ti₅O₁₂/La₂O₃、Li₄Ti₅O₁₂/Pr₆O₁₁和Li₄Ti₅O₁₂/Nd₂O₃两相复合电极材料的晶粒明显细化，粒径约100～300nm。图11显示，实施例1、实施例2、实施例3和实施例4所制Li₄Ti₅O₁₂/CeO₂、Li₄Ti₅O₁₂/La₂O₃、Li₄Ti₅O₁₂/Pr₆O₁₁和Li₄Ti₅O₁₂/Nd₂O₃两相复合电极材料的大电流充放电性能明显优于比较例所制Li₄Ti₅O₁₂的。

本发明的锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂制备方法，仍采用的是传统的高温固态反应，但通过在原料中添加少量稀土化合物，以稀土化合物作晶粒生长抑制剂，即制备出100～300nm细小晶粒的钛酸锂。该方法的原料简单易得，制备工艺简单，直接在空气或氧气中制备，无需惰性气氛保护，容易在工业上实施，且成本低。从图1至图4、图6至图9和图11可以看出该方法所制备Li₄Ti₅O₁₂/稀土氧化物复合电极材料晶粒细小均匀、容量高、大电流充放电性能好，导电性能好。

虽然在上述实施例中，稀土化合物选用的是氧化镧、氧化铈、氢氧化镨和醋酸钕，但是，其它稀土金属元素如钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥的金属氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐、甲酸盐、醋酸盐、草酸盐与这两种稀土氧化物能够产生相似的实验效果。另外，虽然在实施例中选用的锂盐是碳酸锂、氢氧化锂、氧化锂和醋酸锂，但是其它锂盐如硝酸锂、甲酸锂、草酸锂皆可用作锂源，它们产生与碳酸锂和氢氧化锂相近的实验效果。

Claims (8)

1.一种锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)按摩尔比Li∶Ti＝1∶(1.15～1.2)的比例称取锂盐和二氧化钛，加入稀土化合物和分散剂，用球磨机研磨0.5～5h，使原料充分混合；

2)将混合物在空气或氧气下于750～1000℃下焙烧4～32h，自然降温至常温，得到Li₄Ti₅O₁₂/稀土氧化物复合电极材料。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂制备方法，其特征在于：锂盐和二氧化钛中Li和Ti的摩尔比为1∶(1.16～1.18)，加入稀土化合物和分散剂，研磨2～3.5h充分混合；然后将混合物在空气或氧气下于800～900℃下焙烧10～20h，自然降温至常温，得到Li₄Ti₅O₁₂/稀土氧化物复合电极材料。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂制备方法，其特征在于：锂盐和二氧化钛中Li和Ti的摩尔比为1∶1.18，加入稀土化合物和分散剂，研磨2h充分混合；然后将混合物在空气下于600℃下预烧6h，然后再在850℃下焙烧10h，自然降温至常温，得到Li₄Ti₅O₁₂/稀土氧化物复合电极材料。

4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂制备方法，其特征在于：锂盐和二氧化钛中Li和Ti的摩尔比为1∶1.16，加入稀土化合物和分散剂，研磨3h充分混合；然后将混合物在空气下于900℃下焙烧20h，自然降温至常温，得到Li₄Ti₅O₁₂/稀土氧化物复合电极材料。

5.根据权利要求1至4任一项所述的锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂制备方法，其特征在于：所述的锂盐是指氢氧化锂、碳酸锂、氧化锂、硝酸锂、甲酸锂、醋酸锂、草酸锂中的一种或几种。

6.根据权利要求1至4任一项所述的锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂制备方法，其特征在于：所述稀土化合物是指镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥的金属氧化物、氢氧化物、硝酸盐、碳酸盐、甲酸盐、醋酸盐、草酸盐中的一种或几种。

7.根据权利要求1至4任一项所述的锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂制备方法，其特征在于：所述分散剂是指水、无水乙醇或丙酮。

8.根据权利要求1至4任一项所述的锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂制备方法，其特征在于：所述稀土氧化物的含量为所制备复合电极材料总质量的0.5％～10％。

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