CN102689924B

CN102689924B - 一种锂离子电池负极材料的制备方法

Info

Publication number: CN102689924B
Application number: CN201210200204.0A
Authority: CN
Inventors: 赵海雷; 王捷; 温业霆; 杜志鸿
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: CN102689924A

Abstract

本发明公开了一种储能材料及锂离子电池新型负极材料的制备方法，属于新材料和电化学领域，所要解决的问题是提供一种较高比容量以及良好循环稳定性及倍率性能的锂离子电池电极材料以及经济可行的制备工艺。以硝酸锂和钛酸四丁酯为原料，硝酸和氨水为pH值调节剂，采用柠檬酸自燃烧法结合热处理的方法，制备出纳米纯相Li₄Ti₅O₁₂或Li₄Ti₅O₁₂/C复合材料。本发明的优点在于颗粒粉体细小且均匀，工艺过程简单，耗时少。此方法制备的Li₄Ti₅O₁₂材料颗粒细小，粒径、成分分布均匀，具有较高比容量（1C电流密度下，比容量为162mAhg^-1）以及良好循环稳定性及倍率性能，是一种理想的锂离子电池负极材料，可广泛应用于各种便携式电子设备、电动汽车以及航空航天等领域。

Description

一种锂离子电池负极材料的制备方法

技术领域

本发明属于新材料和电化学领域，具体涉及一种新型储能材料以及可充放电锂离子电池Li₄Ti₅O₁₂负极材料及其制备方法。

技术背景

面对能源危机和环境污染的问题，低碳生活的理念逐渐进入到人们的生活中，一方面各国都在努力开发新型清洁能源，另一方面，新型储能电源设备也受到了广泛的关注。锂离子电池作为新型的二次储能电源装置，由于其高的工作电压，高的能量密度，循环寿命长以及对环境友好等诸多优点，而被广泛应用于便携式电子设备、电动车甚至航空航天以及军事等领域。目前，节能环保的电动汽车风靡全球，研发出具有高比容量、高循环稳定性、倍率性能优异的动力型电池成为当前研究的重点。

商业上锂离子电池中广泛应用的石墨类碳负极材料存在着一些弊端：碳电极的电位与金属锂的电位很接近（100 mV vs. Li⁺/Li)，电池过充时其表面易析出金属锂形成枝晶，存在安全隐患；首次放电过程中与电解液反应生成SEI膜，首次库仑效率低；电解液选择范围窄，锂离子反复脱嵌过程中，由于溶剂共嵌入的影响导致材料结构受到破坏，致使材料的循环性能变差。于是，人们在努力寻找更安全、倍率特性更好、循环寿命更长的新型负极材料。

目前新型负极材料的研究热点在于具有高比容量的负极材料，如Sn，Si，Sb以及其氧化物等材料，但是此类材料在充放电过程中会引起非常大的体积膨胀，从而导致电极材料的循环性能不理想。人们通过引入惰性第二相材料或设计制备具有缓冲体积膨胀的特殊结构，例如核壳结构等，借此改善金属负极材料的循环性能。

此外，二元钛的氧化物Li₄Ti₅O₁₂由于其高且平坦的充放电电压以及充放电过程中的“零应变”特性，使得其具备良好的安全性和循环稳定性，从而成为储能电池和动力电池的优秀候选负极材料。但是Li₄Ti₅O₁₂的倍率性能还不能满足日益发展动力和储能期间对电池的要求。为了改善Li₄Ti₅O₁₂的倍率性能，通常通过材料纳米化、体相掺杂以及引入高导电第二相来提升材料的倍率性能。例如：

（1）美国Thackeray研究小组报道适量的Mg掺杂Li位可以显著提高Li₄Ti₅O₁₂的电子导电性能（Li_4-xMg_xTi₅O₁₂），当x=0.25时可以明显改善材料的倍率性能（C.H. Chen, M.M. Thackeray, et al., Journal of The Electrochemical Society, 148(1): A102-A104 (2001)）。此外，适量的在Li位掺Al，Ti位掺V等均被证明可以改善材料的倍率性能（T.F. Yi, et al., Electrochimica Acta, 54(2009): 7464-7470; H.L. Zhao, et al., Electrochimica Acta 53 (2008): 7079-7083）。

（2）上海硅酸盐研究所温兆银研究小组研究发现，向纯相Li₄Ti₅O₁₂材料中引入高导电第二相Ag或Cu单质会大大提高材料的循环性能，其中引入5 wt.%Ag的材料表现出很高的可逆比容量和循环性能；向其中加入1%的Cu单质会大大提升材料的电子导电性，从而改善材料的倍率性能，在10 C的充放电电流密度下材料依旧具有140 mAhg^-1的比容量（S.H. Huang, Z.Y. Wen, et al., Solid State Ionics 177 (2006): 851-855; S.H. Huang, Z.Y. Wen, et al., Journal of Alloys and Compounds 457 (2008): 400-403）。

（3）中科院成都有机化学所Zhenghua Deng研究小组研究表明，引入C材料形成Li₄Ti₅O₁₂/C复合材料能有效改善材料的倍率性能，在8.60 mAcm^-2的电流密度下，纯相Li₄Ti₅O₁₂材料的可逆比容量仅有90 mAhg^-1，且循环稳定性较差，然而引入第二相C材料后，在8.60 mAcm^-2的电流密度下，材料的可逆比容量可达130 mAhg^-1，且材料的循环稳定性较好（Z.J. Lin, Z.H. Deng, et al., Solid State Ionics 181 (2010): 412-415）。复旦大学的Zhiyu Jiang研究小组通过高导电性CNTs的引入使得Li₄Ti₅O₁₂的性能得到很大的提高，改善后的材料在10 C的电流密度下依旧具有接近140 mAhg^-1的比容量且循环稳定性较好（J.J. Huang, Z.Y. Jiang, Electrochimica Acta 53 (2008): 7756-7759）。南京航空航天大学材料科学与工程学院的Xianggang Zhang研究小组通过高导电相石墨烯的引入来大大改善材料的倍率性能，改善后的材料在10 C的电流密度下具有140 mAhg^-1的比容量，在60 C的电流密度下材料依旧具有80 mAhg^-1的比容量，且循环稳定性较好（L.F. Shen, X.G. Zhang, et al., Nanoscale 3 (2011): 572-574）。

（4）哈尔滨工业大学的Naiqing Zhang研究小组通过合成纳米级的Li₄Ti₅O₁₂材料提高材料的倍率性能，研究表明合成的材料具有很好的倍率性能，在30 C的电流密度下材料的比容量为120 mAhg^-1左右，且循环稳定性较好（N.Q. Zhang, et al., Electrochemistry Communications 13 (2011): 654-656）。印度A.K.Shukla研究小组合成出的纳米级别的Li₄Ti₅O₁₂材料具有很好的倍率性能，50 C的电流密度下材料具有100 mAhg^-1的比容量且材料的循环稳定性很好（A.S. Prakash, A.K. Shukala, et al., Chemistry of Materials 22 (2010): 2857-2863）。

纵观文献和专利报道，目前Li₄Ti₅O₁₂负极材料的合成方法有很多种，传统的固相法合成材料工艺简单，但是合成出的产品的性能较差，同时合成过程所需能源较高。对于Li₄Ti₅O₁₂负极材料倍率特性的改善的有效途径是将材料的纳米化，而纳米Li₄Ti₅O₁₂材料包括各种方法，包括水热合成法，溶剂热合成法，溶胶凝胶法以及甘氨酸络和燃烧法等等，但是采用水热法和溶剂热法合成纳米材料的产率低，成本较高，溶剂热法合成样品通常会使用大量醇类物质，给工业化生产中带来很高的安全隐患，与此同时反应过程中还伴随着大量废液的产生；溶胶凝胶法合成纳米级粉体的过程相对复杂，而对于甘氨酸络和燃烧法来说，虽然合成出的纳米粉体性能较好，但是使用的甘氨酸络合剂价格相对较高，导致合成过程中的成本大大提升，此外采用甘氨酸燃烧法制备纳米级材料，其反应过程剧烈，难于控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种颗粒细小、粒径分布均匀、形貌规整、具有较高比容量和倍率特性的锂离子电池负极材料Li₄Ti₅O₁₂或Li₄Ti₅O₁₂/C的制备方法。

一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：是由柠檬酸燃烧法结合后期低温热处理制备纳米级颗粒，具备良好的循环性能和高倍率性能。

其具体步骤为：

（1）配置溶液：选用分析纯硝酸锂、氢氧化锂、碳酸锂或醋酸锂为原料，称取所需重量，溶解于去离子水中，搅拌均匀形成透明溶液，其中锂源浓度控制范围在0.01~0.1 mol/100 ml，之后称取一定量分析纯柠檬酸加入其中，并继续搅拌至柠檬酸完全溶解，其中柠檬酸与锂离子总和的摩尔比控制在：柠檬酸/锂离子=1.5~3之间，此溶液记为溶液A;

选用分析纯钛酸四丁酯作为钛源，按照与锂源的化学计量比或锂源略微过量（过量值≦15%）进行配置，与有机溶剂混和并搅拌至澄清溶液，其中有机溶剂的加入量与Ti的比例范围控制在：1 mol Ti需有机溶剂量为1~2 L，此溶液记为B;

选用分析纯柠檬酸，按照摩尔比柠檬酸/Ti =1.5~3之间进行配制，溶解于去离子水中，搅拌均匀至澄清溶液，记为溶液C；

（2）向溶液A中滴加浓硝酸，其中浓硝酸的加入量控制在10 ~30 ml/100 ml溶剂，之后利用氨水调节溶液A的pH值，pH值控制在3~6,；

（3）向溶液C中滴加氨水调节其pH值，使其pH值控制在3~6；

（4）将溶液B滴加到溶液C中搅拌形成溶液D；

（5）将溶液A加入到溶液D中，搅拌并移入瓷元皿中于烘箱中70~100 ^oC烘干，之后将烘箱温度升至250~300 ^oC使干燥后产物点燃，保温时间为2~4 h，得到前驱体产物；

（6）空气气氛下，将步骤（5）所得的前驱体升温至700~900 ^oC保温2~4 h，随炉冷却至室温制得纳米纯相Li₄Ti₅O₁₂粉体；

步骤（1）中所述的有机溶剂为一元醇类。

步骤（2）和步骤（3）中的选用的为重量百分含量25~28%的分析纯氨水，以及重量百分比为65%的浓硝酸硝酸共同作为pH值调节剂；

步骤（6）中的空气气氛中也可以是惰性气氛，如氮气，氩气等保护气氛下，在此气氛下制得的纳米纯相粉体是Li₄Ti₅O₁₂/C复合材料。

本发明中采用柠檬酸络和自燃法合成纳米级钛酸锂材料，一方面合成出的材料性能较为优异，另一方面采用的柠檬酸络合剂为常用工业原料，成本较低，与此同时，反应过程缓和，利于控制。本发明的优点在于颗粒粉体细小且均匀，工艺过程简单，耗时少。此方法制备的Li₄Ti₅O₁₂材料颗粒细小，粒径、成分分布均匀，具有较高比容量（1 C电流密度下，比容量为162 mAhg^-1）以及良好循环稳定性及倍率性能，是一种理想的锂离子电池负极材料，可广泛应用于各种便携式电子设备、电动汽车以及航空航天等领域。

附图说明

图1是实施例1的Li₄Ti₅O₁₂的充放电曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但并不限定于本发明的保护范围：

实施例1：

称取0.759 g硝酸锂（分析纯）溶解于20 ml去离子水中，形成澄清溶液，之后按照柠檬酸/阳离子=1.5的比例称取柠檬酸，溶解于其中形成溶液A，加入5 ml浓硝酸，并利用氨水调节其pH值为6；称取4.254 g分析纯钛酸四丁酯（纯度≥99.0%）溶解于20 ml无水乙醇中，搅拌均匀，制成澄清透明溶液B；按照柠檬酸/Ti = 2，称取柠檬酸，溶解于20 ml去离子水中，形成澄清溶液C，滴加氨水调节其pH值为6；将溶液B滴加到溶液C中，此溶液记为D；之后将溶液A加入到溶液D中，搅拌约30 min后置于瓷元皿中，放入烘箱中80 ^oC烘干，提升温度至250 ^oC并保温2 h，得到前驱体；将前驱体置于空气气氛中800 ^oC热处理4 h，即得Li₄Ti₅O₁₂最终产物。将制得的85 wt.%Li₄Ti₅O₁₂负极材料、10 wt.％的乙炔黑、5 wt.%的PVdF混合均匀，制成浆料，均匀涂覆在铜箔上，真空烘干后冲压为圆形电极极片，以金属锂为对电极，1 mol/L LiPF₆/EMC+DC+EC（体积比为1:1:1）为电解液，Celgard 2400为隔膜，组成试验电池。对电池进行恒流充放电测试及倍率性能测试，充放电电压范围为1.0~2.5 V，结果表明，其具有较好的电化学性能，5 C的电流密度下，材料的比容量为144 mAhg^-1，且材料的循环稳定性很好。

实施例2：

称取0.690 g硝酸锂（分析纯）溶解于20 ml去离子水中，形成澄清溶液，之后按照柠檬酸/阳离子=1.5的比例称取柠檬酸，溶解于其中形成溶液A，加入5 ml浓硝酸，并利用氨水调节其pH值为6；称取4.254 g分析纯钛酸四丁酯（纯度≥99.0%）溶解于20 ml无水乙醇中，搅拌均匀，制成澄清透明溶液B；按照柠檬酸/Ti = 2，称取柠檬酸，溶解于20 ml去离子水中，形成澄清溶液C，滴加氨水调节其pH值为6；将溶液B滴加到溶液C中，此溶液记为D；之后将溶液A加入到溶液D中，搅拌约30 min后置于瓷元皿中，放入烘箱中80 ^oC烘干，提升温度至250 ^oC并保温2 h，得到前驱体；将前驱体置于空气气氛中800 ^oC热处理4 h，即得Li₄Ti₅O₁₂最终产物。将制得的85 wt.%Li₄Ti₅O₁₂负极材料、10 wt.％的乙炔黑、5 wt.%的PVdF混合均匀，制成浆料，均匀涂覆在铜箔上，真空烘干后冲压为圆形电极极片，以金属锂为对电极，1 mol/L LiPF₆/EMC+DC+EC（体积比为1:1:1）为电解液，Celgard 2400为隔膜，组成试验电池。对电池进行恒流充放电测试及倍率性能测试，充放电电压范围为1.0~2.5 V，结果表明，其具有较好的倍率性能，5 C的电流密度下，材料的比容量为139 mAhg^-1，且材料的循环稳定性很好.

实施例3：

称取0.759 g硝酸锂（分析纯）溶解于20 ml去离子水中，形成澄清溶液，之后按照柠檬酸/阳离子=1.5的比例称取柠檬酸，溶解于其中形成溶液A，加入5 ml浓硝酸，并利用氨水调节其pH值为6；称取4.254 g分析纯钛酸四丁酯（纯度≥99.0 %）溶解于20 ml无水乙醇中，搅拌均匀，制成澄清透明溶液B；按照柠檬酸/Ti = 2，称取柠檬酸，溶解于20 ml去离子水中，形成澄清溶液C，滴加氨水调节其pH值为6；将溶液B滴加到溶液C中，此溶液记为D；之后将溶液A加入到溶液D中，搅拌约30 min后置于瓷元皿中，放入烘箱中80 ^oC烘干，提升温度至250 ^oC并保温2 h，得到前驱体；将前驱体置于氮气气氛中850 ^oC热处理4 h，即得Li₄Ti₅O₁₂/C复合材料。将制得的85 wt.%Li₄Ti₅O₁₂负极材料、10 wt.％的乙炔黑、5 wt.%的PVdF混合均匀，制成浆料，均匀涂覆在铜箔上，真空烘干后冲压为圆形电极极片，以金属锂为对电极，1 mol/L LiPF₆/EMC+DC+EC（体积比为1:1:1）为电解液，Celgard 2400为隔膜，组成试验电池。对电池进行恒流充放电测试及倍率性能测试，充放电电压范围为1.0~2.5 V，结果表明，其具有较好的倍率性能，10 C的电流密度下，循环50次后材料的比容量为125 mAhg^-1，且材料的循环稳定性较好。

Claims

1.一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征是由柠檬酸燃烧法结合后期低温热处理制备纳米级颗粒，具体工艺步骤为：

（1）配制溶液：选用分析纯硝酸锂、氢氧化锂、碳酸锂或醋酸锂为原料，称取所需重量，溶解于去离子水中，搅拌均匀形成透明溶液，其中锂源浓度控制范围在0.01～0.1mol/100mL，之后称取一定量分析纯柠檬酸加入其中，并继续搅拌至柠檬酸完全溶解，其中柠檬酸与锂离子总和的摩尔比控制在：柠檬酸/锂离子=1.5～3之间，此溶液记为溶液A;

选用分析纯钛酸四丁酯作为钛源，按照与锂源的化学计量比或锂源略微过量进行配制，过量值≦15%，与一元醇类有机溶剂混和并搅拌至澄清溶液，其中一元醇类有机溶剂的加入量与Ti的比例范围控制在：1molTi需一元醇类有机溶剂量为1～2L，此溶液记为B;

选用分析纯柠檬酸，按照摩尔比柠檬酸/Ti=1.5～3之间进行配制，溶解于去离子水中，搅拌均匀至澄清溶液，记为溶液C；

（2）向溶液A中滴加浓硝酸，其中浓硝酸的加入量控制在10～30mL/100mL溶剂，之后利用重量百分含量25～28%的分析纯氨水以及重量百分比为65%的硝酸调节溶液A的pH值，pH值控制在3～6；

（3）向溶液C中滴加重量百分含量25～28%的分析纯氨水以及重量百分比为65%的硝酸调节pH值，使溶液CpH值控制在3～6；

（4）将溶液B滴加到pH值在3～6的溶液C中搅拌形成溶液D；

（5）将溶液A加入到溶液D中，搅拌并移入瓷元皿中于烘箱70～100℃烘干，之后将烘箱温度升至250～300℃使干燥后产物点燃，保温时间为2～4h，得到前驱体产物；

（6）空气气氛下，将步骤（5）所得的前驱体产物升温至700～900℃保温2～4h，随炉冷却至室温制得纳米纯相Li₄Ti₅O₁₂粉体。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：步骤（6）中的空气气氛用氮气或氩气保护气氛取代，在此气氛下制得的纳米纯相粉体是Li₄Ti₅O₁₂/C复合材料。