CN102208612A - 高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法 - Google Patents

高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法 Download PDF

Info

Publication number
CN102208612A
CN102208612A CN2011101037724A CN201110103772A CN102208612A CN 102208612 A CN102208612 A CN 102208612A CN 2011101037724 A CN2011101037724 A CN 2011101037724A CN 201110103772 A CN201110103772 A CN 201110103772A CN 102208612 A CN102208612 A CN 102208612A
Authority
CN
China
Prior art keywords
lithium
titanium
tio
containing compound
lithium ion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2011101037724A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102208612B (zh
Inventor
邵宗平
蔡锐
于星
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Tech University
Original Assignee
Nanjing Tech University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Tech University filed Critical Nanjing Tech University
Priority to CN2011101037724A priority Critical patent/CN102208612B/zh
Publication of CN102208612A publication Critical patent/CN102208612A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102208612B publication Critical patent/CN102208612B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明提供一种高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法,该方法在高能球磨辅助固相反应法的基础上,对Li4Ti5O12表面进行原位TiN包覆,原位形成的TiN薄膜抑制了Li4Ti5O12颗粒在高温处理过程中团聚,从而得到纳米级颗粒,再在空气中限制性焙烧,将TiN转化成TiO2得到最终的产物。该法降低了传统固相法烧结Li4Ti5O12的温度,制得粉体粒径小,粒度分布均匀,大大提高了Li4Ti5O12负极材料的性能。该材料应用于锂离子动力电池负极,表现出优异的快速充放电性能,10C倍率(6分钟放电)放电容量仍高达155mAh/g以上。

Description

高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法
技术领域
本发明涉及一种高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法,属于锂离子电池材料技术领域。
背景技术
锂离子电池是20世纪90年代发展起来的最新一代二次电池,而新型锂离子动力电池的研发,对解决全球能源危机及环境污染问题具有十分重要的现实意义。负极活性材料尖晶石型Li4Ti5O12以其优异的电化学优越性能越来越受到锂离子电池研究者的重视。Li4Ti5O12的理论比容量为175mAh/g,实际循环容量为150-160mAh/g。Li4Ti5O12负极材料具有的高安全性及优异的循环性能均符合动力电池的要求,因此Li4Ti5O12在锂离子动力电池负极材料的应用上具有巨大潜力。但纯相Li4Ti5O12电子电导率较低,仅为10-13S/cm,在高倍率充放电时,比容量衰减很快。针对这一缺点,近年来众多的科研人员对其进行了大量研究,以期提高Li4Ti5O12的大倍率性能。其主要研究方向集中在提高其电子电导率及减小颗粒粒径,主要途径有:(1)多孔化或纳米化;(2)引入高导电相,进行表面包覆;(3)离子掺杂:通过高价过渡金属在Li位或Ti位部分掺杂,以改变Li4Ti5O12负极材料的结构,提高其电化学性能。
纳米化确实能够提高材料的Li离子扩散速率,进而提高其大倍率性能。但纳米颗粒的比表面积大,使得其电化学活性表面增加,会导致材料的循环寿命缩短。同时纳米颗粒的振实密度低,会导致电池的体积能量密度降低。因此纳米颗粒要实际应用需要进行二次造粒,这为实际应用生产带来困难。另外合成纳米粉体的方法成本较高,应用价值较小。
利用表面包覆高导电相对Li4Ti5O12表面进行包覆,以提高其复合电导。如对Li4Ti5O12表面进行碳包覆,其倍率性能都得到了一定程度的提高。但碳包覆仅仅改善了材料的表面电导,对体相电导没有改善,而电极过程不仅是一个表面扩散过程,还是体相扩散过程,所以倍率性能的提高有限。另外,碳的包覆在提高Li4Ti5O12的电子电导的同时,也降低了材料的振实密度,不利于体积能量密度的提高。
研究者们在离子掺杂改性Li4Ti5O12方面做了大量的工作,大量研究结果表明,仅仅靠离子掺杂不能很好地满足动力电池的需求。
我们知道,锐钛矿TiO2的理论比容量(335mAh/g)比Li4Ti5O12的理论容量高,适当引入TiO2将有助于提高Li4Ti5O12的比容量。而N掺杂会提高材料的氧空穴浓度,进而有望改善锂离子及电子在Li4Ti5O12中的扩散行为。为此,我们提出采用氮化-氧化法制备N掺杂Li4Ti5O12,并在其外部包覆一层TiO2,形成N掺杂Li4Ti5O12/TiO2核-壳结构复合电极材料。
目前合成Li4Ti5O12的方法主要有高温固相反应法、溶胶凝胶法等。由于固相法具有设备简单、易于控制工艺参数、投资较低等优点,目前实现批量生产的还都是固相法。但是传统固相法存在反应时间长、温度高、能耗大、产物粒度和元素分布不均匀等缺点。因此本专利提出利用机械活化法结合固相法反应法结合,缩短反应时间、降低焙烧温度、提高元素均匀分布,得到微米级N掺杂Li4Ti5O12/TiO2核-壳结构复合电极材料。
发明内容
本发明的目的是为了改进现有技术的不足而提供一种高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法。
本发明的技术方案是:高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法,其具体步骤如下:(1)以含锂化合物和含钛化合物为原料,经球磨1~5小时混合,球磨转速为100-400转/分;(2)将球磨后的混合物在含氮元素的气氛中高温处理,处理温度700℃~850℃,保温时间4~7小时,升温速率控制在2℃~10℃/分钟;(3)将气氛处理后的产物置于空气气氛中进行限制性焙烧,焙烧温度400℃~600℃,保温时间1~4小时,焙烧升温速率控制在2℃~10℃/分钟,即制得TiO2包覆纳米Li4Ti5O12锂离子电池负极材料。
优选所述的含锂化合物和含钛化合物中锂与钛的摩尔比为1∶1.3~1.5。
优选上述的含锂化合物为硝酸锂、碳酸锂、卤化锂、氧化锂、氢氧化锂、醋酸锂或烷基锂;所述含钛化合物优选为氟化钛、卤化钛、氧化钛、氢氧化钛、硫酸钛、硝酸钛、钛酸盐、偏钛酸或钛酸酯。
所述的含氮元素的气氛为纯氨气、氨气与氮气混合物或气化联氨。
有益效果:
本发明所用的原料均为普通原料,设备简单,合成反应时间相较传统固相法大幅缩短,此外制造成本低廉,所得产物结晶程度高,颗粒为微米级且元素分布均匀,电化学性能高,循环稳定。
同时,本发明合成的Li4Ti5O12被均匀分散的TiO2薄膜包覆着,提高了材料的可逆容量,并表现出优异的倍率性能,10C倍率(6分钟放电)放电容量仍高达155mAh/g以上。因此该材料是一种优异的锂离子动力电池负极材料。
附图说明
图1实施例1产物的XRD图;其中*-Li4Ti5O12;+-锐钛矿TiO2;Δ-金红石TiO2
图2为实施例1产物的TEM图;
图3实施例1产物的SEM图;
图4为实施例1产物的首次充放电曲线图,测试范围:1.0-3.0V间,电流密度为0.1mA。
图5例1产物在不同倍率的放电曲线;其中a-1C,b-5C,c-10C;
图6例1产物在100mA/g电流密度下的循环性能;
图7例2产物的XRD图;其中*-Li4Ti5O12;+-锐钛矿TiO2;Δ-金红石TiO2
图8例2产物的的首次充放电曲线,测试范围:1.0-3.0V间,0.1mA/g电流密度;
图9例2产物在不同倍率的放电曲线;其中a-1C,b-5C,c-10C;
图10例2产物在100mA/g电流密度下的循环性能。
具体实施方式
Li4Ti5O12/TiO2复合材料的合成、结构测试及其电化学性能测试。
实施例一:秤取0.1mol碳酸锂,0.28mol锐钛矿二氧化钛(摩尔数×分子量即可算出需要的重量),置于高能球磨(Pulverisett-6可监测行星式高能球磨仪)中,球磨1小时,球磨转数为400转/分。再将混合物在氨气氛围中以10℃/分钟的升温速率升温到800℃,保温4小时,得到TiN包覆的Li4Ti5O12。将上述步骤得到的产品在空气氛围中限制性焙烧,以10℃/分钟的升温速率升温到600℃,保温3小时,即得最终产物Li4Ti5O12/TiO2粉体。
图1是Li4Ti5O12/TiO2粉体的XRD图,图中可见大部分衍射峰均与尖晶石Li4Ti5O12的衍射峰对应,在2θ为25°及41°处分别对应于锐钛矿TiO2及金红石TiO2的衍射峰,说明生成了Li4Ti5O12/TiO2复合粉体。图2是Li4Ti5O12/TiO2粉体的TEM图。从其晶格图中可见,材料有两种晶格纹理,分别为4.48、
Figure BDA0000057283800000041
对应尖晶石钛酸锂的(111)晶面间距及锐钛矿TiO2的(101)晶面间距
Figure BDA0000057283800000042
可见TiO2在Li4Ti5O12外表形成了包覆层。图3是Li4Ti5O12/TiO2复合粉体的FESEM图,可见颗粒为片状的不规则四边形,颗粒大小均匀,粒径在0.3-0.4μm之间。图4是Li4Ti5O12/TiO2复合粉体的首次充放电曲线,首次放电比电容量达到200mAh/g,充放电平台平直,可见材料具有良好的嵌锂性能。大电流充放电测试曲线如图5所示,1C倍率放电时放电容量为187mAh/g,10C倍率放电时放电容量仍高达160mAh/g。同时随着放电倍率从1C增大到10C,其放电平台电仅从1.547V下降到1.527V,极化较小,可见该材料的导电性能非常好,是做动力电池优良的电极材料。如图6所示是电池的循环性能,样品组装的电池在放电截止电压为1.0V,电流密度为100mA/g,循环50次后比容量高达178mAh/g,容量保持率97%。
实施例二:秤取0.1mol氢氧化锂,0.15mol偏钛酸(摩尔数×分子量即可算出需要的重量),置于高能球磨(Pulverisett-6可监测行星式高能球磨仪)中,球磨4小时,球磨转数为200转/分。再将混合物在气化联氨气氛中以2℃/分钟的升温速率升温到850℃,保温7小时,得到TiN包覆的Li4Ti5O12。将上述步骤得到的产品在空气氛围中限制性焙烧,以2℃/分钟的升温速率升温到400℃,保温1小时,即得最终产物Li4Ti5O12/TiO2粉体。
图7是Li4Ti5O12/TiO2粉体的XRD图,图中可见大部分衍射峰均与尖晶石Li4Ti5O12的衍射峰对应,在2θ为25°及41°处分别对应于锐钛矿TiO2及金红石TiO2的衍射峰,说明生成了Li4Ti5O12/TiO2复合粉体。图8是产品2的首次充放电曲线,首次放电比电容量达到理论容量185mAh/g,充放电平台平直,可见材料具有良好的嵌锂性能。如图9所示,1C倍率放电时放电容量为175mAh/g,10C倍率放电时放电容量仍高达155mAh/g,表现了优异的倍率性能。如图10所示是电池的循环性能,样品组装的电池在放电截止电压为1.0V,电流密度为100mA/g,循环50次后比容量高达172mAh/g,容量保持率96%。

Claims (4)

1.高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法,其具体步骤如下:(1)以含锂化合物和含钛化合物为原料,经球磨1~5小时混合,球磨转速为100-400转/分;(2)将球磨后的混合物在含氮元素的气氛中高温处理,处理温度700℃~850℃,保温时间4~7小时,升温速率控制在2℃~10℃/分钟;(3)将气氛处理后的产物置于空气气氛中进行限制性焙烧,焙烧温度400℃~600℃,保温时间1~4小时,焙烧升温速率控制在2℃~10℃/分钟,即制得TiO2包覆纳米Li4Ti5O12锂离子电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述的含锂化合物和含钛化合物中锂与钛的摩尔比为1∶1.3~1.5。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述的含锂化合物为硝酸锂、碳酸锂、卤化锂、氧化锂、氢氧化锂、醋酸锂或烷基锂;所述含钛化合物为氧化钛、氟化钛、卤化钛、氢氧化钛、硫酸钛、硝酸钛、钛酸盐、偏钛酸或钛酸酯。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于所述的含氮元素的气氛为纯氨气、氨气与氮气混合物或气化联氨。
CN2011101037724A 2011-04-25 2011-04-25 高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法 Expired - Fee Related CN102208612B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2011101037724A CN102208612B (zh) 2011-04-25 2011-04-25 高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2011101037724A CN102208612B (zh) 2011-04-25 2011-04-25 高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102208612A true CN102208612A (zh) 2011-10-05
CN102208612B CN102208612B (zh) 2013-05-08

Family

ID=44697336

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2011101037724A Expired - Fee Related CN102208612B (zh) 2011-04-25 2011-04-25 高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102208612B (zh)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103545498A (zh) * 2012-07-13 2014-01-29 北京低碳清洁能源研究所 钛酸锂-二氧化钛复合材料、其制备方法及由其形成的可充电锂离子电池的负极活性材料
CN104009218A (zh) * 2014-05-07 2014-08-27 上海应用技术学院 锂离子电池负极材料锡/钛酸锂复合电极材料的制备方法
CN104169220A (zh) * 2012-03-16 2014-11-26 帝化株式会社 钛酸锂及其制造方法、其用途
CN106058199A (zh) * 2016-07-22 2016-10-26 天津巴莫科技股份有限公司 一种钴钛绿包覆钛酸锂及其制备方法
CN107331841A (zh) * 2017-06-28 2017-11-07 陕西科技大学 一种钛酸锂/二氧化钛复合材料的制备方法
CN111129441A (zh) * 2018-10-30 2020-05-08 深圳市比亚迪锂电池有限公司 一种锂离子电池负极材料及其制备方法、锂离子电池负极和锂离子电池

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101378119A (zh) * 2008-10-06 2009-03-04 天津巴莫科技股份有限公司 锂离子电池用碳包覆型钛酸锂的制备方法
CN101630732A (zh) * 2009-07-27 2010-01-20 深圳市德方纳米科技有限公司 纳米钛酸锂复合物及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101378119A (zh) * 2008-10-06 2009-03-04 天津巴莫科技股份有限公司 锂离子电池用碳包覆型钛酸锂的制备方法
CN101630732A (zh) * 2009-07-27 2010-01-20 深圳市德方纳米科技有限公司 纳米钛酸锂复合物及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TAO YUAN,ET AL.: "Different Effect of the Atmospheres on the Phase Formation and Performance of Li4Ti5O12 Prepared from Ball-Milling-Assisted Solid-Phase Reaction with Pristine and Carbon-Precoated TiO2 as Starting Materials", 《THE JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY》, no. 115, 2 March 2011 (2011-03-02), pages 4943 - 4952, XP055124795, DOI: doi:10.1021/jp111353e *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104169220A (zh) * 2012-03-16 2014-11-26 帝化株式会社 钛酸锂及其制造方法、其用途
CN103545498A (zh) * 2012-07-13 2014-01-29 北京低碳清洁能源研究所 钛酸锂-二氧化钛复合材料、其制备方法及由其形成的可充电锂离子电池的负极活性材料
CN103545498B (zh) * 2012-07-13 2016-05-18 神华集团有限责任公司 钛酸锂-二氧化钛复合材料、其制备方法及由其形成的可充电锂离子电池的负极活性材料
CN104009218A (zh) * 2014-05-07 2014-08-27 上海应用技术学院 锂离子电池负极材料锡/钛酸锂复合电极材料的制备方法
CN106058199A (zh) * 2016-07-22 2016-10-26 天津巴莫科技股份有限公司 一种钴钛绿包覆钛酸锂及其制备方法
CN107331841A (zh) * 2017-06-28 2017-11-07 陕西科技大学 一种钛酸锂/二氧化钛复合材料的制备方法
CN107331841B (zh) * 2017-06-28 2019-08-06 陕西科技大学 一种钛酸锂/二氧化钛复合材料的制备方法
CN111129441A (zh) * 2018-10-30 2020-05-08 深圳市比亚迪锂电池有限公司 一种锂离子电池负极材料及其制备方法、锂离子电池负极和锂离子电池
CN111129441B (zh) * 2018-10-30 2021-06-18 深圳市比亚迪锂电池有限公司 锂离子电池负极材料及其制备方法、负极和锂离子电池

Also Published As

Publication number Publication date
CN102208612B (zh) 2013-05-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Review on comprehending and enhancing the initial Coulombic efficiency of anode materials in lithium-ion/sodium-ion batteries
CN109336193B (zh) 多元素原位共掺杂三元材料前驱体及其制备方法和应用
Zhu et al. Deciphering H+/Zn2+ co-intercalation mechanism of MOF-derived 2D MnO/C cathode for long cycle life aqueous zinc-ion batteries
Fang et al. Li4Ti5O12–LiAlO2 composite as high performance anode material for lithium-ion battery
CN101794876B (zh) 高倍率性能电池负极材料及其制备方法
CN107845781B (zh) 锂离子二次电池用负极活性材料、其制备方法及锂离子二次电池
CN102208612B (zh) 高倍率锂离子动力电池负极TiO2包覆Li4Ti5O12复合材料的合成方法
CN102376937A (zh) 一种纳米钛酸锂/石墨烯复合负极材料及其制备方法
CN103531758B (zh) 纳米金属锡与石墨复合负极材料及其制备方法
CN103794761B (zh) 一种锂离子电池硅/钛酸锂复合负极材料的制备方法
CN102496707A (zh) 一种纳米碳包覆尖晶石钛酸锂电池负极材料的制备方法
CN105206815B (zh) 一种碳包覆Li4Ti5O12‑TiO2/Sn纳米复合材料及其制备和应用
CN102107906B (zh) 一种钛酸锂材料的制备方法
Wang et al. Realization of superior electrochemical performances for ZnMoO4 anode material through the construction strategy of 3D flower-like single crystalline
CN104810515A (zh) 一种掺杂钛酸锂负极材料的制备方法
Hai et al. Facile controlled synthesis of spinel LiMn2O4 porous microspheres as cathode material for lithium ion batteries
CN104201353A (zh) 钛系氧化物/碳纳米管的复合负极材料及其制备方法
CN104409712A (zh) 碳氮包覆钛酸锂材料的制备方法
CN114203949A (zh) 一种层状锰基钠离子电池正极材料及制备方法和应用
CN111463423A (zh) 一种氧化亚硅锂离子电池负极材料制备方法及电池负极片的制备方法
Song et al. Coating TiO 2 on lithium-rich Li 1.2 Mn 0.54 Ni 0.13 Co 0.13 O 2 material to improve its electrochemical performance
JP2002151078A (ja) 非水電解質二次電池用正極活物質及びその製造法
Han et al. Design of synergistic-coated layer of La 2 O 3/Al 2 O 3 in LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 cathode for enhanced cycling stability and rate capability
Liu et al. Designing uniformly layered FeTiO3 assemblies consisting of fine nanoparticles enabling high-performance quasi-solid-state sodium-ion capacitors
CN101867036A (zh) 长寿命高功率锂离子电池负极材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20130508

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee