CN103400977A - 溶胶-凝胶法制备钛酸锂 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池技术领域,具体涉及溶胶-凝胶法制备钛酸锂。本发明要解决是技术问题是传统的溶胶-凝胶法操作不易控制,使得溶胶质量不稳定。本发明解决上述技术问题的技术方案是提供了一种溶胶-凝胶法制备钛酸锂,包括以下步骤:a、将钛酸丁酯溶于乙二醇中配制成溶液;b、将二水合醋酸锂与柠檬酸、无水乙醇、去离子水混合配制成溶液;c、将步骤b溶液滴加到步骤a溶液中,同时滴加氨水,再搅拌获得透明溶胶,然后陈化得到凝胶;d、将凝胶恒温干燥,获得干凝胶,然后将干凝胶充分研磨,得到前驱体;e、将前驱体分段烧结后得到钛酸锂。本发明提供的方法操作方便,产品性能优良,具有较好的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池技术领域,具体涉及溶胶-凝胶法制备钛酸锂。
技术背景
锂离子电池负极材料,尖晶石型Li4Ti5O12(钛酸锂)具有充放电过程中晶体结构稳定、几乎不发生改变的“零应变”特性,可以快速地放电性能,具有较高的安全性能和较好的循环性能,因此成为了国内外研究的焦点。目前,溶胶-凝胶法已成为制备纳米钛酸锂研究最多的主要方法。而溶胶与凝胶的顺利制备决定着溶胶-凝胶法制备钛酸锂负极材料的后续工作,并且溶胶、凝胶的性状也在一定程度上决定着前驱体的组成与性质。故溶胶-凝胶过程的顺利、稳定、可靠地进行是制备钛酸锂的前提条件。
溶胶-凝胶法是以无机盐或者金属醇盐为前驱物,通过水解缩聚由溶胶逐渐形成凝胶,经老化、干燥、热处理等后续处理得到所需材料的方法。制备钛酸锂的方法有很多,其中溶胶-凝胶法成为制备钛酸锂研究的可靠方法之一。溶胶凝胶法制备钛酸锂,一般是以钛酸丁酯和醋酸锂(硝酸锂)为原料,采用柠檬酸、柠檬酸、草酸、丙烯酸、酒石酸等作为螯合剂,以酸为基底进行氧化反应,不仅能使原料在原子级水平均匀混合,而且可以使晶体粒径维持在纳米级。相比于固相反应法,溶胶-凝胶法制备纳米材料的烧结温度低且时间短、化学纯度高、化学均匀性好,通过控制溶胶凝胶工艺参数,可以实现对材料结构进行精确控制,产物结晶良好。
传统的溶胶-凝胶过程是将钛酸丁酯溶于无水乙醇中,但无法避免钛酸丁酯的水解而影响溶胶的生成,影响螯合剂的螯合过程,因此也影响了溶胶的质量,造成杂质TiO2含量偏高而影响Li4Ti5O12负极材料的充放电性能。
发明内容
本发明要解决是技术问题是传统的溶胶-凝胶法操作不易控制,使得溶胶质量不稳定。
本发明解决上述技术问题的技术方案是提供了一种溶胶-凝胶法制备钛酸锂,包括以下步骤:
a、将钛酸丁酯溶于乙二醇中配制成溶液;
b、将二水合醋酸锂与柠檬酸、无水乙醇、去离子水混合配制成溶液;
c、将步骤b得到的溶液滴加到步骤a得到的溶液中,同时滴加氨水,再搅拌30~40min获得透明溶胶,然后陈化24~36h得到凝胶;
d、将步骤c中获得的凝胶恒温干燥,获得干凝胶,然后将干凝胶充分研磨,得到前驱体;
e、将前驱体分段烧结后得到钛酸锂。
其中,上述溶胶-凝胶法来制备钛酸锂中,步骤a所述的钛酸丁酯与乙二醇的体积比为1︰2~4。
其中,上述溶胶-凝胶法来制备钛酸锂中,钛酸丁酯与步骤b所述的柠檬酸、去离子水、无水乙醇的体积比为1︰0.25︰0.25~0.5︰2~3。
其中,上述溶胶-凝胶法来制备钛酸锂中,步骤b所述二水合醋酸锂与钛酸丁酯的摩尔比为0.82~0.85︰1。
其中,上述溶胶-凝胶法来制备钛酸锂中,步骤c所述的将步骤b得到的溶液滴加到步骤a得到的溶液中,需要快速搅拌步骤a的溶液。
其中,上述溶胶-凝胶法来制备钛酸锂中,步骤c所述的将步骤b得到的溶液滴加到步骤a得到的溶液中,滴加流速为0.25~0.4mL/s。
其中,上述的溶胶-凝胶法制备钛酸锂中,步骤c中所述的滴加氨水,使反应液pH值为5~6。
其中,上述溶胶-凝胶法来制备钛酸锂中,步骤d所述恒温干燥的温度为80~120℃,时间为24h~48h。
其中,上述的溶胶-凝胶法制备钛酸锂中,步骤e中所述分段烧结法以3~5℃/min的升温速率,升至400~600℃保温6~12h;继续升温到800~900℃保温4~8h,随炉冷却至室温。
本发明的有益效果是:本发明的方法将钛酸丁酯溶于乙二醇中,有效抑制了钛酸丁酯的水解,将去离子水以及醋酸锂的结晶水部分与螯合剂柠檬酸混合形成溶液,限定溶液的pH值,控制弱酸性,控制钛酸丁酯的滴加速度,有效地解决了钛酸丁酯在滴加时的水解问题,保证获得性能良好的凝胶前驱体。本发明提供的利用溶胶-凝胶获得钛酸锂的方法便于操作,反应过程可以很好地得到控制,具有良好的应用前景。
附图说明
图1本发明方法得到的实施例1的钛酸锂粉体XRD(X射线衍射)分析图谱。
图2本发明方法得到实施例1的钛酸锂粉体放大10000倍的SEM显微形貌图。
图3本发明方法得到的实施例1的钛酸锂粉体充放电曲线。
具体实施方式
本发明提供的一种溶胶-凝胶法制备钛酸锂,包括以下步骤:
a、将钛酸丁酯溶于乙二醇中配制成溶液;其中,钛酸丁酯与乙二醇的体积比为1︰2~4;
b、将二水合醋酸锂与柠檬酸、无水乙醇、去离子水混合配制成溶液;
c、快速搅拌步骤a得到的溶液,并同时将步骤b得到的溶液以0.25~0.4mL/s滴加到步骤a得到的溶液中,再滴加氨水,控制pH为pH5~6,最后搅拌30~40min获得透明溶胶,然后陈化24~36h得到乳白色凝胶;
d、将步骤c中获得的凝胶放入干燥箱中,于80~120℃恒温干燥24~36h,得到干凝胶;然后将干凝胶充分研磨,得到前驱体;
e、将前驱体分段烧结后得到钛酸锂;具体的操作是以3~5℃/min的升温速率,升至400~600℃保温6~12h,充分研磨;继续升温到800~900℃保温4~8h,随炉冷却至室温,再进一步充分研磨,得到钛酸锂。
其中,上述溶胶-凝胶法来制备钛酸锂中,钛酸丁酯与步骤b所述的柠檬酸、去离子水、无水乙醇的体积比控制为1︰0.25︰0.25~0.5︰2~3。
其中,上述溶胶-凝胶法来制备钛酸锂中,步骤b所述二水合醋酸锂与钛酸丁酯的摩尔比为0.82~0.85︰1。
在本发明中,将钛酸丁酯溶于乙二醇中配制成溶液时,乙二醇的含量控制影响后续溶胶的形成效果,乙二醇的含量若偏少,生成的溶胶均匀性差,若乙二醇含量偏多,生成溶胶的时间偏长,也会影响溶胶的质量。
控制步骤b溶液的滴加速度及pH值对本发明影响也较大。试验证明,滴速偏慢或pH值偏离较大会导致钛酸丁酯水解而过早生成絮状沉淀,影响凝胶的生成效果。
步骤c获得透明溶胶的过程中需要强力搅拌,其目的在于降低钛酸丁酯进入水的速度,得到更好的分散效果,从而抑制钛酸丁酯的水解,保证获得溶胶的质量。
另外本发明中采取分段烧结法比一步烧结法效果更好,在第一阶段采取400~600℃保温6~12h充分研磨后采取的预煅烧,使前驱体的活性提高,有利于第二烧结阶段钛酸锂粉体的化合生成,同时抑制前驱体因一步烧结造成的团聚长大趋势。
实施例1
a、将40mL钛酸丁酯溶于100mL乙二醇中配制成M液,快速搅拌使其混合均匀。
b、将14.74g二水合醋酸锂与10mL柠檬酸、12mL去离子水、80mL无水乙醇混合,配制成N液。
c、快速搅拌M液,同时将配制好的N液以0.25~0.3mL/s的速度在5min内快速滴加到M液中,pH值为5.2,室温下强力搅拌30min获得透明溶胶,陈化24h得到乳白色凝胶。
d、将步骤c中获得的凝胶放入干燥箱中,80℃恒温干燥36h得到干凝胶,球磨后获得前驱体。
e、将前驱体充分研磨后,利用分段烧结法:以5℃/min的升温速率,升至600℃保温6h,冷却至室温后充分研磨0.5h;然后以同样的升温速率升温到850℃保温6h,随炉空冷至室温,继续充分研磨2h。
通过图1的XRD物相分析得知,与PDF标准卡片Li4Ti5O12的标准谱(00-049-0207)相比较,与其基本吻合,表明得到的产物为Li4Ti5O12(钛酸锂)负极材料,同时标出了不同峰值对应的晶面指数,从图中可以看出,主峰(111)晶面强度大且非常尖锐,表明Li4Ti5O12产物结晶度大。
从图2的SEM显微形貌图中可以看到,采用本发明方法制得的钛酸锂颗粒均匀细小,尺寸大小均小于1μm,达到纳米级别,绝大部分颗粒粒度约500nm,因为颗粒细小,降低了Li+嵌入或脱嵌的势垒,有利于充放电的发生。
图3为0.2C倍率下恒流充放电曲线,图中出现了明显的充放电平台,电压稳定在1.58V左右,首次放电容量达到171.0mAh/g,与理论值175mAh/g相差无几。而后充电容量142.8mAh/g,而放电容量稳定在150.0mAh/g左右,且未见有明显衰减的迹象,因此从充放电结果来看,效果还是比较理想的。
实施例2
a、将40mL钛酸丁酯溶于150mL乙二醇中配制成M液,快速搅拌使其混合均匀。
b、将14.74g二水合醋酸锂与10mL柠檬酸、20mL去离子水、120mL无水乙醇混合,配制成N液。
c、快速搅拌M液,同时将配制好的N液0.3~0.4mL/s在7min内快速滴加到M液中,控制pH值为5.7,室温下强力搅拌40min获得透明溶胶,陈化36h得到乳白色凝胶。
d、将步骤c中获得的凝胶放入干燥箱中,80℃恒温干燥36h得到干凝胶,球磨后获得前驱体。
e、将前驱体充分研磨后,利用分段烧结法:以5℃/min的升温速率,升至600℃保温6h,冷却至室温后充分研磨0.5h;然后以同样的升温速率升温到800℃保温8h,随炉空冷至室温,继续充分研磨2h。
利用XRD物相分析,并与PDF标准卡片Li4Ti5O12的标准谱相比较,与其基本吻合,得到的产物为Li4Ti5O12负极材料。利用SEM显微形貌观察粉体颗粒均匀细小,尺寸大小均小于1μm,达到纳米级别,绝大部分颗粒粒度约500-800nm。在0.2C倍率下恒流充放电,出现了明显的充放电平台,电压稳定在1.58V左右,首次放电容量达到168.2mAh/g,之后放电容量稳定在150.4mAh/g,而充电容量稳定在146.4mAh/g左右,且未见有明显衰减的迹象。
实施例3
a、将40mL钛酸丁酯溶于80mL乙二醇中配制成M液,快速搅拌使其混合均匀。
b、将15.08g二水合醋酸锂与10mL柠檬酸、12mL去离子水、80mL无水乙醇混合,配制成N液。
c、快速搅拌M液,同时将配制好的N液以0.25~0.3mL/s在5min内快速滴加到M液中,pH值为5.5,室温下强力搅拌30min获得透明溶胶,陈化24h得到乳白色凝胶。
d、将步骤c中获得的凝胶放入干燥箱中,120℃恒温干燥24h得到干凝胶,球磨后获得前驱体。
e、将前驱体充分研磨后,利用分段烧结法:以5℃/min的升温速率,升至600℃保温12h,冷却至室温后充分研磨0.5h;然后以同样的升温速率升温到850℃保温6h,随炉空冷至室温,继续充分研磨2h。
利用XRD物相分析,得到的产物为Li4Ti5O12负极材料。利用SEM显微形貌观察粉体颗粒均匀细小,绝大部分颗粒粒度约500~800nm。在0.2C倍率下恒流充放电,出现了明显的充放电平台,电压稳定在1.58V左右,首次放电容量达到165.6mAh/g,之后放电容量稳定在144.5mAh/g,而充电容量稳定在148.2mAh/g左右,衰减的迹象不明显。
实施例4
a、将40mL钛酸丁酯溶于160mL乙二醇中配制成M液,快速搅拌使其混合均匀。
b、将15.08g二水合醋酸锂与10mL柠檬酸、20mL去离子水、120mL无水乙醇混合,配制成N液。
c、快速搅拌M液,同时将配制好的N液0.3~0.4mL/s在7min内快速滴加到M液中,控制pH值为5.8,室温下强力搅拌40min获得透明溶胶,陈化36h得到乳白色凝胶。
d、将步骤c中获得的凝胶放入干燥箱中,120℃恒温干燥24h得到干凝胶,球磨后获得前驱体。
e、将前驱体充分研磨后,利用分段烧结法:以5℃/min的升温速率,升至600℃保温12h,冷却至室温后充分研磨0.5h;然后以同样的升温速率升温到900℃保温6h,随炉空冷至室温,继续充分研磨2h。
利用XRD物相分析,得到的产物为Li4Ti5O12负极材料。利用SEM显微形貌观察粉体颗粒均匀细小,绝大部分颗粒粒度约0.6μm~1.2μm。在0.2C倍率下恒流充放电,出现了明显的充放电平台,电压稳定在1.58V左右,首次放电容量达到165.6mAh/g,之后放电容量稳定在136.5mAh/g,而充电容量稳定在140.8mAh/g左右,衰减的迹象不明显。
Claims (8)
1.溶胶-凝胶法制备钛酸锂,包括以下步骤:
a、将钛酸丁酯溶于乙二醇中配制成溶液;
b、将二水合醋酸锂与柠檬酸、无水乙醇、去离子水混合配制成溶液;
c、将步骤b得到的溶液滴加到步骤a得到的溶液中,同时滴加氨水,再搅拌30~40min获得透明溶胶,然后陈化24~36h得到凝胶;
d、将步骤c中获得的凝胶恒温干燥,获得干凝胶,然后将干凝胶充分研磨,得到前驱体;
e、将前驱体分段烧结后得到钛酸锂。
2.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备钛酸锂,其特征在于:步骤a中钛酸丁酯与乙二醇的体积比为1︰2~4。
3.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备钛酸锂,其特征在于:钛酸丁酯与步骤b中柠檬酸、去离子水、无水乙醇的体积比为1︰0.25︰0.25~0.5︰2~3。
4.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备钛酸锂,其特征在于:二水合醋酸锂与钛酸丁酯摩尔比为0.82~0.85:1。
5.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备钛酸锂,其特征在于:步骤c所述的将步骤b得到的溶液滴加到步骤a得到的溶液中,滴加速度为0.25~0.4mL/s。
6.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备钛酸锂,其特征在于:步骤c中滴加氨水,使反应液pH值为5~6。
7.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备钛酸锂,其特征在于:步骤d所述恒温干燥的温度为80~120℃,时间为24h~48h。
8.根据权利要求1所述的溶胶-凝胶法制备钛酸锂,其特征在于:步骤e中所述的分段烧结是指,采用3~5℃/min的升温速率,升至400~600℃保温6~12h,再继续升温到800~900℃保温4~8h,随炉冷却至室温。
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