CN104518210B - 一种复合钛酸锂材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合钛酸锂材料的制备方法,具体的讲是公开了一种含锆掺杂和碳包覆的锂离子电池负极材料钛酸锂的制备方法。通过改性添加剂的作用达到一次完成掺杂和包覆的双重效果,方法简单易于工业化生产。所制得的产品具有良好的电化学性能。

Description

一种复合钛酸锂材料的制备方法
技术领域
本发明属锂离子电池负极材料技术领域,具体涉及锂离子二次电池负极材料钛酸锂的制备方法,特别是一种金属元素掺杂和碳包覆的锂离子电池负极材料钛酸锂的制备方法。
背景技术
锂离子电池具有高能量密度、高工作电压、无记忆效应等优点,有望成为电动汽车的主要动力来源之一。由于石墨对锂电位仅为0.2V左右,容易导致锂在其表面的析出,造成安全性问题。而钛酸锂具有充放电过程中骨架结构几乎不发生变化的“零应变”特性,嵌锂电位高(1.55V vs.Li/Li+)而不易引起金属锂析出,库仑效率高,锂离子扩散系数(为2×10-8cm2/s)比碳负极高一个数量级等优良特性,具备了下一代锂离子蓄电池必需的充电次数更高、充电过程更快、更安全的特性。因此,钛酸锂在电动车、储能领域有着广泛的应用前景,具有巨大的潜在经济效益。
但Li4Ti5O12材料的可逆比容量较小(约170mAh/g),无法满足高能锂离子电池在负极比容量方面的要求。另外Li4Ti5O12的固有电导率低(~10-9S/cm),只能在低电流下工作才能发挥出材料的性能优势,在大电流下放电容量损失较大。所以提高Li4Ti5O12的导电率是Li4Ti5O12材料商业化应用的关键。
围绕提高钛酸锂材料的导电率,目前国内外进行了大量的研究,主要是一次颗粒纳米化、碳包覆、离子掺杂等。其中,一次颗粒纳米化最为重要。因此常采用纳米二氧化钛或有机钛化合物为钛源,其次是掺杂和包覆。通常采取的掺杂方式是在过渡金属Ti位或O位掺杂金属阳离子或1价阴离子,包括Li+、Mg2+、Al3+、Ga3+、Zn2+、Co3+、Ta5+、Cr3+、、Ni3+、Zr4+、Mn3+、F-等,但是金属离子掺杂降低了放电容量。而通常采用的包覆剂为导电碳,碳源主要包括:糖类、石墨、聚合物、炭黑、活性炭、碳纳米管、碳纤维等。
目前公知的掺杂包覆钛酸锂材料制备方法主要有;CN102122710A公开了一种Zr掺杂钛酸锂电极材料制备方法,该方法是由含锂化合物、锐钛矿二氧化钛以及Zr的化合物为原料,通过固相合成方法制备得到;又如CN10194455 90A公开了一种碳包覆钛酸锂的制备方法,该方法通过长链型脂肪羧酸与钛酸锂表面配位,在非氧化性气体的保护下形成均匀的碳包覆层。但这些相关技术都没有一次性达到既掺杂又包覆的效果,且这些方法虽然改善了循环寿命、倍率特性等,但同时降低了放电容量和首次充放电效率等。
因此需要一种简单的,可一次性达到掺杂包覆目的的方法来制备钛酸锂材料。
发明内容
本发明旨在提高钛酸锂材料的电子导电率和大电流下的倍率性能,并且易于制备、成本低廉、环保无污染,适用于工业化生产的一种掺杂包覆改性钛酸锂的制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:一种钴酸锂材料的制备方法主要包括以下步骤,
充分混合无机锂盐、二氧化钛、掺杂改性剂和分散剂,高能球磨机球磨分散0.5~20h,得均匀混合的前驱体浆料;
将上述浆料在50~120℃的真空烘箱中烘干,研磨破碎得均匀分散的前驱体细粉;
惰性气氛保护下煅烧上述细粉,破碎过筛得最终复合钛酸锂材料。
上述制备方法中,步骤1中所述的无机锂盐可以是碳酸锂、氢氧化锂或硝酸锂等中的一种或几种。
上述制备方法中,步骤1中所述二氧化钛可以是锐钛或金红石晶型中的一种或二种的混合物。
上述制备方法中,步骤1中所述的掺杂改性剂为偶联剂,具体可以是铝酸锆偶联剂、锆酸酯偶联剂或铬络合物偶联剂等。
上述制备方法中,步骤1中所述的分散剂可以是乙醇、丙醇、异丙醇和丙酮等有机溶剂中一种或其中几种的混合物。
上述制备方法中,步骤1所制得的混合前驱体浆料中掺杂金属元素/Ti/Li的摩尔比范围是:0~0.1:1:0.8~0.89。
上述制备方法中,步骤1所制得的混合前驱体浆料的固含量为10wt%~60wt%。
上述制备方法中,步骤3中所述的惰性气氛可以是氮气、氦气、氩气中的一种或其中几种混合0~15%的氢气。
上述制备方法中,步骤3中所述的煅烧可以是一次或两次煅烧;当所述煅烧为一次烧结时,温度范围为400~950℃,烧结时间为2~40h;当所述煅烧为二次烧结时,烧结过程为:(1)400~700℃热处理1~20h,自然冷却至室温;(2)700~950℃热处理2~40h,自然冷却至室温。
本发明公布了使用偶联剂对钛酸锂进行了改性,在纳米二氧化钛与碳酸锂等原料混合物中加入偶联剂,利用偶联剂中含有的有机与无机官能团与原料表面官能团的相互作用,容易实现纳米原材料组份间的均匀混合与分散,由此制备的钛酸锂材料表面与体相分别形成均匀的碳包覆层和均匀分布的金属元素掺杂,起到了掺杂和包覆的双重作用,可以实现金属元素均匀掺杂和碳均匀包覆,所制得的产品一致性好,具有良好的电化学性能。该方法工艺流程简单,成本低廉、产率高,且易于工业化生产。
附图说明
图1为实施例1中所制得的复合钛酸锂材料的扫描电镜图。
具体实施例
实施例1
将2mol碳酸锂、4.9mol锐钛二氧化钛和0.1mol的四正丙基锆酸酯(锆酸酯偶联剂)分散于乙醇中,固体和有机溶剂的比例为1:1.5,在行星式球磨机上研磨分散5小时制得钛酸锂前驱体混合物,在真空烘箱里100℃下烘干,研磨破碎得均匀分散的前驱体细粉,所得分散粉体放入坩埚中,置于氮气气氛保护高温炉中,升温至700℃,保温12小时后,自然冷却至常温,取出,经粉碎、筛分后得到复合钛酸锂材料Li4Zr0.1Ti4.9O12/Cy(0≤y≤0.05)。
实施例2
将4.2mol硝酸锂、5mol金红石二氧化钛和0.05mol的甲基丙烯酸氯化铬(铬络合物偶联剂)分散于乙醇中,固体和有机溶剂的比例为1:2,在行星式球磨机上研磨分散10小时制得钛酸锂前驱体混合物,在120℃下烘干,研磨破碎得均匀分散的前驱体细粉,所得分散粉体放入坩埚中,置于氮气混合10%氢气气氛保护高温炉中,升温至950℃,保温10小时后,自然冷却至常温,取出,经粉碎、筛分后得到复合钛酸锂材料Li4Cr0.05Ti4.95O12/Cy(0≤y≤0.05)。
实施例3
将4mol氢氧化锂、5mol锐钛二氧化钛和0.1mol的甲基丙烯氧官能基铝酸锆(铝锆酸酯偶联剂)分散于丙酮中,固体和有机溶剂的比例为1:1.7,在行星式球磨机上研磨分散10小时制得钛酸锂前驱体混合物,在真空烘箱中100℃下烘干,研磨破碎得均匀分散的前驱体细粉,所得分散粉体放入坩埚中,置于氮气气氛保护高温炉中,升温至600℃,保温5小时后,自然冷却至常温,取出,经粉碎、筛分后,再升温至900℃,保温10小时,自然冷却至常温,取出,经粉碎、筛分后得到复合钛酸锂材料Li4M0.1Ti4.9O12/Cy(M=Al、Zr;0≤y≤0.05)。

Claims (8)

1.一种复合钛酸锂材料的制备方法,充分混合无机锂盐、二氧化钛、掺杂改性剂和分散剂,高能球磨机球磨分散0.5~20h,得均匀混合的前驱体浆料;将浆料在50~120℃的真空烘箱中烘干,研磨破碎得均匀分散的前驱体细粉;惰性气氛保护下煅烧上述细粉,破碎过筛,最终得复合钛酸锂材料,
其中,所述掺杂改性剂为偶联剂,所述偶联剂选自铝酸锆偶联剂、锆酸酯偶联剂或铬络合物偶联剂。
2.根据权利要求1所述的复合钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述的无机锂盐是碳酸锂、氢氧化锂或硝酸锂中的一种或其中几种的混合物。
3.根据权利要求1所述的复合钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述的二氧化钛为锐钛或金红石晶型中的一种或二种的混合物。
4.根据权利要求1所述的复合钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述前驱体浆料中掺杂金属元素/Ti/Li的摩尔比范围是:0~0.1:1:0.8~0.89。
5.根据权利要求1所述的复合钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述分散剂为乙醇、丙醇、异丙醇和丙酮中一种或其中几种的混合物。
6.根据权利要求1所述的复合钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述前驱体浆料的固含量为10wt%~60wt%。
7.根据权利要求1所述的复合钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述惰性气氛是氮气、氦气、氩气中的一种或其中几种混合0~15%的氢气。
8.根据权利要求1所述的复合钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述的煅烧温度为400~950℃,煅烧时间为2~40h。
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