CN104282906B - 微纳结构的钛酸锂材料及其制备方法 - Google Patents

微纳结构的钛酸锂材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种微纳结构的钛酸锂材料，该钛酸锂材料为由纳米晶原位生长的钛酸锂颗粒组成，该钛酸锂颗具有尖晶石晶型结构，该钛酸锂颗粒的直径为400～1000nm，钛酸锂颗粒中的纳米晶尺寸为30~70nm。本发明提供一种微纳结构的钛酸锂材料的制备方法，以及包含该微纳结构的钛酸锂材料构成的锂离子电池的负极材料和负极极片。

Description

微纳结构的钛酸锂材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于锂离子电池负极材料的钛酸锂材料及其制备方法。
背景技术
各种电子设备以及电动汽车、混合动力汽车快速发展，对为其提供能量的锂离子电池提出了更加苛刻的要求，特别是其功率性能。目前广泛使用的碳负极材料由于电位过低，易于电解液发生反应，使得电池体系安全性较差；此外，碳负极材料功率性能较差，不能解决其快速充放电问题，因此无法满足电动车的使用要求。
锂离子动力电池应用于电动汽车的主要障碍是电池的安全性、能量密度、功率密度以及高功率充放电循环性能，而制约上述性能的关键因素是电池所使用的电极材料。目前所研究的锂离子动力电池通常以碳材料为负极材料，但是在在电池非正常状态使用时嵌锂碳负极材料会与电解液发生剧烈反应，放出大量的热和可燃性气体，导致电池失效，甚至爆炸。碳负极材料由于电位过低，易与电解液发生反应，使得电池体系安全性较差，严重制约了碳材料为负极的大容量高功率型锂离子动力电池在电动汽车上的应用。
解决锂离子动力电池安全性问题的关键是用更加安全、与电解液反应活性更小的负极材料替代碳负极材料。钛酸锂(Li4Ti5O12)作为一种新型负极材料具有很多优点，例如安全性能好、使用寿命长、充放电效率高、结构稳定等，有潜力在锂离子动力电池领域得到广泛应用，被认为是最有希望的下一代锂离子电池负极材料。
目前工业化制备Li4Ti5O12主要采用的方法是高温固相法，合成方法为将TiO2和锂源(主要为Li2CO3、LiOH和LiNO3)充分混合后，经高温烧结得到产物。固相合成法虽然工艺简单、成本低，但是最终产物颗粒分布不均，充放电时倍率性能差。
目前提高钛酸锂的高倍率充放电性能的主要途径有下面三种：
通过溶胶-凝胶法制备制备纳米粒径Li4Ti5O12，得到纳米级、颗粒分散均匀的Li4Ti5O12颗粒,可以有效提高材料的导电性能与高倍率充放电性能。但是溶胶-凝胶法制备制备纳米粒径Li4Ti5O12工艺复杂，成本较高，振实密度低，不利于产业化；
使用模板法制备多孔或者中空结构的Li4Ti5O12，从而提高材料的导电性能与高倍率充放电性能；
金属元素掺杂和碳包覆法，通过金属元素掺杂和碳包覆提高Li4Ti5O12电极材料的功率性能是目前最常用的方法之一。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种制造成本低、循环和倍率性能优异、具有高振实密度的纳米晶原位生长的微纳结构的钛酸锂电极材料及其制备方法。
一种微纳结构的钛酸锂材料，该钛酸锂材料为由纳米晶原位生长的紧密实心钛酸锂颗粒组成，该钛酸锂颗具有尖晶石晶型结构，该钛酸锂颗粒的直径为400～1000nm，钛酸锂颗粒中的纳米晶尺寸为30～70nm，所述钛酸锂材料的比表面积为4～10m2/g，振实密度为1.0～1.3g/cm3。
一种钛酸锂材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：按照体积比为1：10～100的比例，将钛的酯类溶于醇类溶剂中，再向上述溶液中加入结构导向剂，得到一前驱体溶液A，其中，该结构导向剂和钛的酯类的质量比为1:1.25～30；
S2：按照体积比为1:16～120的比例，将质量浓度为25～28％氨水与前驱体溶液A混合后，再加入锂的化合物，其中锂的化合物和钛的酯类中锂和钛元素的化学计量比为4～4.8∶5，得到一白色乳状的液体B；
S3：在60℃～100℃下加热所述液体B，烘干所述加热后的液体B，得到一粉体C；
S4：将粉体C在保护气氛下于500℃～800℃下烧结，冷却后得到钛酸锂粉体。
本发明的钛酸锂材料的制备方法采用的是溶液法，相对于现有技术的有益效果是：
其一，对使用本发明的钛酸锂材料的制备方法制得的目标产物分别使用扫描电镜和X射线衍射仪进行表征，由其结果可知，制得的目标产物为分散的直径为400～1000nm的球状物；该球状物为尖晶石晶型的钛酸锂。
其二，通过将使用本发明的钛酸锂材料的制备方法制得的目标产物应用于电池负极材料进行循环和倍率性能测试，测试结果显示具有非常优异的循环和倍率性能，由于本发明中制备的钛酸锂微纳球形结构的钛酸锂由纳米晶原位生长而成，在具有非常优异的循环和倍率性能的同时，还具有非常高的振实密度，可以达到1.0～1.3g/cm3，在锂离子电池的负极材料方面具有极佳的应用前景。
其三，本发明的钛酸锂材料的制备方法采用廉价原料的选取可以大大地降低制备的成本，合成的条件温和、无毒、无污染，属于绿色环保的合成方法，极利于工业化的生产和制得的目标产物的商业化应用。
附图说明
图1为本发明一实施方式中用于锂离子电池的纳米晶原位生长的微纳结构钛酸锂电极材料的制备方法。
图2为本发明一实施例1中制备的钛酸锂粉体的扫描电镜图。
图3为本发明一实施例1中制备的钛酸锂粉体的透射电镜图。
图4为本发明实施例1中制备的钛酸锂粉体的X射线衍射图谱。
图5为本发明实施例1中制备的钛酸锂粉体用作锂离子电池负极材料的循环性能测试结果曲线图。
图6为本发明实施例1中制备的钛酸锂粉体用作锂离子电池负极材料的倍率性能测试结果曲线图。
图7为本发明实施例1-6制备的钛酸锂粉体的比表面积，振实密度和纳米晶尺寸测试结果，以及实施例1-6制备的钛酸锂粉体用作锂离子电池负极材料的循环性能和倍率性能测试结果。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1，本发明一实施方式的用于锂离子电池的纳米晶原位生长的微纳结构钛酸锂(Li4Ti5O12)电极材料的制备方法包括以下步骤：
S1：按照体积比为1：10～100的比例，将钛的酯类溶于醇类溶剂中，再向上述溶液中加入结构导向剂，得到一前驱体溶液A，其中，该结构导向剂和钛的酯类的质量比为1:1.25～30。
S2：按照体积比为1:16～120的比例，将质量浓度为25％～28％氨水与前驱体溶液A混合后，再加入锂的化合物，得到一白色乳状的液体B。其中，所述锂的化合物和钛的酯类中锂和钛元素的化学计量比的为4～4.8：5。
S3：在60℃～100℃下加热所述液体B直至所述液体B中溶剂全部挥发，得到一烘干的粉体C。
S4：将粉体C在保护气氛下于500℃～800℃下烧结，冷却后得到最终产物钛酸锂粉体。
具体的，在步骤S1中，按照体积比为1：10～100的比例，将钛的酯类溶于乙醇中，搅拌至少0.5小时，得到混合均匀的透明溶液，再向上述透明溶液中加入结构导向剂，并搅拌至少1小时，得到混合均匀的所述前驱体溶液A。其中，将钛的酯类溶于醇类溶剂后搅拌的时间可以为为0.5～1小时，向上述溶液中加入结构导向剂后的搅拌时间可以为1～3小时。
所述的钛的酯类可以选自钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯和钛酸甲酯四者中的至少一种。
所述的醇类溶剂可以为无水乙醇、甲醇、乙二醇、异丙醇及正丙醇中的任意一种或几种组成的混合溶液。
所述的结构导向剂为选自十六烷胺、十二烷胺及十六烷基三甲基溴化铵中的任意一种或者几种的组合。
具体的，在步骤S2中，按照体积比为1:16～120的比例，将质量浓度为25％～28％氨水与前驱体溶液A混合后，搅拌至少0.5小时，再加入所述锂的化合物。其中，将前驱体溶液A与氨水相混合后搅拌的时间可以为0.5～1小时。
所述锂化合物为醋酸锂、氢氧化锂、碳酸锂、氧化锂、草酸锂及氯化锂中的一种或者几种组成的混合物。
具体的，在步骤S3中，在60～100℃下加热所述液体B，加热时间至少12小时，直至所述加热后的液体B中溶剂全部挥发，得到干燥的白色的粉体C。在一实施方式中，在60～100℃下加热液体B的加热时间为12～24小时。
具体的，在步骤S4中，将粉体C在氩气保护气氛下于500～800℃下烧结4～16小时，随炉冷却至室温得到最终产物钛酸锂粉体。
由上述制备方法制备的钛酸锂粉体材料由微纳结构的钛酸锂颗粒组成。该钛酸锂粉体颗粒是一种由纳米级的钛酸锂纳米晶原位生长而成的紧密实心的微米级的钛酸锂颗粒。该钛酸锂颗粒具有尖晶石晶型结构，其直径为400～1000nm，钛酸锂颗粒中的纳米晶尺寸为30～70nm。所述钛酸锂材料的比表面积为4～10m2/g，孔体积为0.01cm3/g～0.04cm3/g，振实密度为1.0～1.3g/cm3。
该钛酸锂粉体用作锂离子电池负极材料时，在5C/5C充放电条件下，在循环200周之后，该电池负极材料比容量保持率均保持在98％以上，10C充放电比容量为140mAh/g～149mAh/g。
下面将结合具体实施例和实验数据对本发明提供的用于锂离子电池的纳米晶原位生长的微纳结构钛酸锂电极材料的制备方法作进一步的详细说明。
实施例1
将15ml钛酸四丁酯溶于300ml乙醇中，磁力搅拌1小时，使其完全溶解，获得透明溶液。
将2.5g十六烷胺加入上述溶液中，磁力搅拌1小时，使其完全溶解，得到前驱体溶液。
将2ml氨水和3.8g醋酸锂依次加入到前驱体溶液中，搅拌0.5小时获得白色乳状液体。
将上述白色乳状液体在70℃下加热24小时，烘干制得白色粉体。将白色粉体在氩气气氛下于650℃下烧结5小时，随炉冷却至室温得到最终产物，为灰色的钛酸锂粉体。
实施例2
将20ml钛酸四丁酯溶于200ml异丙醇中，磁力搅拌1.5小时，使其完全溶解，获得透明溶液。
将3g十二烷胺加入上述溶液中，磁力搅拌1.5小时，使其完全溶解，得到前驱体溶液。
将4ml氨水和5.1g醋酸锂分别加入到前驱体溶液中，搅拌0.5小时获得白色乳状液体。
将上述白色乳状液体在70℃下加热24小时，烘干制得白色粉体。将白色粉体在氩气气氛下于700℃下烧结8小时，随炉冷却至室温得到最终产物，为灰色的钛酸锂粉体。
实施例3
将20ml钛酸四丁酯溶于200ml无水乙醇中，磁力搅拌1小时，使其完全溶解，获得透明溶液。
将3.5g十六烷胺加入上述溶液中，磁力搅拌1小时，使其完全溶解，得到前驱体溶液。
将6ml氨水和5.1g醋酸锂分别加入到前驱体溶液中，搅拌0.5小时获得白色乳状液。
将上述白色乳状液体在70℃下加热24小时，烘干制得白色粉体。将白色粉体在氩气气氛下于750℃下烧结10小时，随炉冷却至室温得到最终产物，为灰色的钛酸锂粉体。
实施例4
将20ml钛酸四异丙酯溶于200ml无水乙醇中，磁力搅拌1小时，使其完全溶解，获得透明溶液。
将2.5g十六烷胺加入上述溶液中，磁力搅拌1小时，使其完全溶解，得到前驱体溶液。
将3ml氨水和2.5g氢氧化锂分别加入到前驱体溶液中，搅拌1小时获得白色乳状液体。
将上述白色乳状液体在70℃下加热24小时，烘干制得白色粉体。将白色粉体在氩气气氛下于600℃下烧结6小时，随炉冷却至室温得到最终产物，为灰色的钛酸锂粉体。
实施例5
将20ml钛酸四异丙酯溶于200ml无水乙醇中，磁力搅拌1～2小时，使其完全溶解，获得透明溶液。
将2.5g十二烷胺加入上述溶液中，磁力搅拌1～2小时，使其完全溶解，得到前驱体溶液。
将5ml氨水和6.1g醋酸锂分别加入到前驱体溶液中，搅拌半小时获得白色乳状液体。
将上述白色乳状液体在80℃下加热24小时，烘干制得白色粉体。将白色粉体在氩气气氛下于700℃下烧结8小时，随炉冷却至室温得到最终产物，为灰色的钛酸锂粉体。
实施例6
将20ml钛酸四异丙酯溶于200ml无水乙醇中，磁力搅拌1～2小时，使其完全溶解，获得透明溶液。
将2.5g十六烷基溴化铵加入上述溶液中，磁力搅拌1～2小时，使其完全溶解，得到前驱体溶液。
将7ml氨水和6.1g醋酸锂分别加入到前驱体溶液中，搅拌0.5小时获得白色乳状液。
将上述白色乳状液体在80℃下加热24小时，烘干制得白色粉体。将白色粉体在氩气气氛下于800℃下烧结5小时，随炉冷却至室温得到最终产物，为灰色的钛酸锂粉体。
图2为本发明实施例1中制备的钛酸锂粉体的扫描电镜(SEM)图，图3为本发明实施例1中制备的钛酸锂粉体的透射电镜(TEM)图。从图2、图3可以看出制得的钛酸锂颗粒为直径为400～1000nm的密实的球状颗粒。该球状的钛酸锂颗粒为尖晶石晶型结构。
在图3中，从a照片中可以看出合成的钛酸锂材料为一紧密实心的球形，而非松散的多孔或空心结构；b照片为组成钛酸锂材料的纳米晶高分辨透射电镜图，测得的晶面间距为0.48nm，对应于钛酸锂纳米晶的(111)晶面，即可以证明b照片中纳米晶之间是原位生长在一起。其中，组成该钛酸锂粉体颗粒结构的钛酸锂纳米晶尺寸约为40nm。
因此，依照实施例1中的制备方法制备的钛酸锂材料由微纳结构的钛酸锂颗粒组成，该钛酸锂粉体颗粒是一种由纳米级的钛酸锂纳米晶原位生长而成的紧密实心的微米级的钛酸锂颗粒。
请参考图4，为本发明实施例1中制备的钛酸锂粉体的X射线衍射(XRD)图谱，通过该X射线衍射表征的结果，可以看出通过实施例X中的制备方法制得的最终产物为晶相单一并具有非常高结晶性的尖晶石晶型钛酸锂(Li4Ti5O12)，不含有其他任何杂相。
请参考图5，为本发明实施例1中制备的钛酸锂粉体用作锂离子电池负极材料时，在5C/5C充放电条件下的循环性能测试结果。结果显示初始比容量为158mAh/g，在循环200周之后，该电池负极材料比容量保持率为99.4％，表现出非常优异的循环稳定性。
请参考图6，为本发明实施例1中制备的钛酸锂粉体用作锂离子电池负极材料时的倍率性能测试结果。结果显示在0.5C充放电时比容量为172mAh/g，1C充放电时比容量为170mAh/g，2C充放电时比容量为163mAh/g，5C充放电时比容量为158mAh/g，10C充放电时比容量为148mAh/g，20C充放电时比容量为130mAh/g，30C充放电时比容量为119mAh/g，表现出优异的倍率性能。
本发明实施例1中制备的钛酸锂粉体的比表面积和孔体积分别为8.6m2/g和0.04cm3/g，振实密度为1.2g/cm3，具有较小的比表面积和较高的振实密度，有利于提高钛酸锂电池的能量密度。
请参考图7，为本发明实施例1-6制备的钛酸锂粉体的比表面积，振实密度和纳米晶尺寸测试结果，以及实施例1-6制备的钛酸锂粉体用作锂离子电池负极材料的循环性能和倍率性能测试结果。由上述实施例1-6中的制备方法制备的钛酸锂粉体材料由微纳结构的钛酸锂颗粒组成。该钛酸锂粉体颗粒是一种由纳米级的钛酸锂纳米晶原位生长而成的紧密实心的微米级的钛酸锂颗粒。该钛酸锂颗粒具有尖晶石晶型结构，其直径为400～1000nm，钛酸锂颗粒中的纳米晶尺寸为30～70nm。所述钛酸锂材料的比表面积为4～10m2/g，孔体积为0.01cm3/g～0.04cm3/g，振实密度为1.0～1.3g/cm3。
该钛酸锂粉体用作锂离子电池负极材料时，在5C/5C充放电条件下，在循环200周之后，该电池负极材料比容量保持率均保持在98％以上，10C充放电比容量为140mAh/g～149mAh/g。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种微纳结构的钛酸锂材料，其特征在于，该钛酸锂材料为由纳米晶原位生长的紧密实心钛酸锂颗粒组成，该钛酸锂颗粒具有尖晶石晶型结构，该钛酸锂颗粒的直径为400～1000nm，钛酸锂颗粒中的纳米晶尺寸为30～70nm，所述钛酸锂材料的比表面积为4～10m2/g，振实密度为1.0～1.3g/cm3。
2.一种如权利要求1所述的微纳结构的钛酸锂材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：按照体积比为1∶10～100的比例，将钛的酯类溶于醇类溶剂中，再向所述钛的脂类和所述醇类溶剂的混合溶液中加入结构导向剂，得到一前驱体溶液A，其中，该结构导向剂和钛的酯类的质量比为1∶1.25～30；
S2：按照体积比为1∶16～120的比例，将质量浓度为25～28％氨水与前驱体溶液A混合后，再加入锂的化合物，其中锂的化合物和钛的酯类中锂和钛元素的化学计量比为4～4.8∶5，得到一白色乳状的液体B；
S3：在60℃～100℃下加热所述液体B，烘干所述加热后的液体B，得到一粉体C；
S4：将粉体C在保护气氛下于500℃～800℃下烧结，冷却后得到钛酸锂粉体。
3.如权利要求2所述的钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述钛的酯类选自钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯和钛酸甲酯四者中的至少一种。
4.如权利要求2所述的钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述醇类溶剂可以为选自无水乙醇、甲醇、乙二醇、异丙醇和正丙醇中的一种或者任意几种的组合。
5.如权利要求2所述的钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括：将钛的酯类溶于醇类溶剂后搅拌0.5～1小时，在向钛的酯类和醇类溶剂的混合溶液中加入结构导向剂后搅拌1～3小时。
6.如权利要求2所述的钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述锂化合物选自醋酸锂、氢氧化锂、碳酸锂、氧化锂、草酸锂和氯化锂中的一种或者任意几种的组合。
7.如权利要求2所述的钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述结构导向剂为选自十六烷胺、十二烷胺及十六烷基三甲基溴化铵中的一种或者任意几种的组合。
8.如权利要求2所述的钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，在60℃～100℃下加热所述液体B的加热时间为12～24小时。
9.如权利要求2所述的钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，将粉体C在保护气氛下于500℃～800℃下烧结的时间为4～16小时。
10.一种锂离子电池的负极材料，其特征在于，包含权利要求2-9中任意一项所述的钛酸锂材料的制备方法所制备的钛酸锂材料。
11.一种锂离子电池的负极极片，其特征在于，该锂离子电池的负极极片包括如权利要求10所述的锂离子电池的负极材料。
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