CN105244491A - 一种制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺 - Google Patents

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岳波
向中林
王俊安
周俊杰
张航
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Abstract

本发明公开了一种制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺，所述工艺包括：步骤1：以锐钛矿型纳米TiO2为原料，在常压下水热反应条件下制造Li-Ti-O三元体系的纳米级前躯体粉末；步骤2：将原料、辅料、添加助剂制成悬浮液浆料，然后将溶液在一定压力下通过特制的喷嘴，形成液滴成雾状喷入温度恒定在指定范围的焙烧设备中，进行干燥处理，获得球形钛酸锂前驱体粉体，实现了工艺设计合理，危险性较低，导电性能改善效果较好，保障了粉体的振实密度，使得电极材料的体积比容量升高的技术效果。

Description

一种制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺
技术领域
本发明涉及锂离子电池负极材料制造领域，具体地，涉及一种制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺。
背景技术
锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。
锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。
钛酸锂（Li4Ti5O12）作负极材料的锂离子电池比传统锂离子电池的快速充放电性能、循环性能更好，安全性能更高。Li4Ti5O12作为负极材料与LiFePO4、LiCo02、LiMn04、LiNi02和活性炭等可以组成锂离子电池、全固态电池、混合型超级电容器，表现出良好的循环和安全性能。因此，以Li4Ti5O12作负极材料的锂离子电池有望用于当前的主流电子产品。
传统的水热合成通常是在高温和高压条件下进行的，其产物纯度高、分散性好、粒度易控制，但是高温、高压的条件增加了工业生产的难度和生产成本，同时也具有一定工业危险性。
由于现在国内外制造的钛酸锂材料的导电性能不够理想，目前部分研究在生产钛酸锂粉料中加入导电组分如碳黑、乙炔黑、金属粉等来提高电极体的导电性。但是这种后加的方法是采用黏合剂将两者结合起来的，很难使导电组分与钛酸锂粉料的界面有良好的紧密接触，导电性能的改善效果受到影响，同时也进一步降低了粉体的振实密度，使得电极材料的体积比容量有所降低。
综上所述，本申请发明人在实现本申请实施例中发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
在现有技术中，现有的制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺存在危险性较高，导电性能改善效果较差，降低了粉体的振实密度，使得电极材料的体积比容量有所降低的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺，解决了现有的制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺存在危险性较高，导电性能改善效果较差，降低了粉体的振实密度，使得电极材料的体积比容量有所降低的技术问题，实现了工艺设计合理，危险性较低，导电性能改善效果较好，保障了粉体的振实密度，使得电极材料的体积比容量升高的技术效果。
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺，所述工艺包括：
步骤1：以锐钛矿型纳米TiO2为原料，在常压下水热反应条件下制造Li-Ti-O三元体系的纳米级前躯体粉末；
步骤2：将原料、辅料、添加助剂制成悬浮液浆料，然后将溶液在一定压力下通过特制的喷嘴，形成液滴成雾状喷入温度恒定在指定范围的焙烧设备中，进行干燥处理，获得球形钛酸锂前驱体粉体。
进一步的，所述步骤2中添加有机介质作为粘接剂和碳源。
进一步的，所述进行干燥处理的干燥时间小于等于10分钟。
进一步的，所述焙烧设备的恒定温度为1000度。
进一步的，所述工艺还包括进行导电碳包覆改性。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
实现了工艺设计合理，危险性较低，导电性能改善效果较好，保障了粉体的振实密度，使得电极材料的体积比容量升高的技术效果。
附图说明
图1是本申请实施例中制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺，解决了现有的制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺存在危险性较高，导电性能改善效果较差，降低了粉体的振实密度，使得电极材料的体积比容量有所降低的技术问题，实现了工艺设计合理，危险性较低，导电性能改善效果较好，保障了粉体的振实密度，使得电极材料的体积比容量升高的技术效果。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本申请采用一种在常压水热合成前驱体和后续喷雾干燥造粒、高温固相焙烧合成高品质纳米级钛酸锂锂离子电池负极材料的新工艺。清参考图1，本申请已经完成实验室小试研究工作，研究获得了以锐钛矿型纳米TiO2为原料，常压下水热反应制造纳米级前躯体的条件；选择了合适的有机介质作为粘接剂和碳源；研究了复合高价阳离子掺杂改性对钛酸锂粉末的比容量和振实密度的影响；获得了合适的合成温度、合成时间等工艺技术参数。
在前期实验室锂离子电池负极材料钛酸锂研究成果、公司现有研发能力和条件的基础上，为验证在产量放大的情况下工艺、技术的可行性和适应性，本申请拟进行100T/a的纳米钛酸锂的中试生产研究，主要研究内容包括现有设备改进、配套设备的定型；配料比例、水热合成条件、雾化干燥条件、焙烧条件等工艺参数的优化。通过中试生产干燥形成完整的工艺技术规程、设备操作规程和企业技术标准以及实现最少50批次的稳定生产。
本申请拟采用先进的干燥雾化工艺制取小晶粒、高振实密度的钛酸锂粉料。干燥雾化的过程可以简要地描述为：先将所有需要的原料、辅料、添加助剂等制成悬浮液浆料，然后将溶液在一定压力下通过特制的喷嘴，形成极为细小的液滴成雾状喷入温度恒定在指定范围的焙烧设备中，在很短的时间内完成干燥，可以获得粒度小于2μm甚至达到亚微米的球形钛酸锂前驱体粉体。
本申请拟在前驱体浆料配制时预先加入一些特别筛选出的有机组分，一方面是为了使浆料具有合适的流动性和粘度，防止浆料沉积，同时优化干燥产物的颗粒性质。同时，合适的粘结剂有助于粉体颗粒的成型造粒，能够提高球体强度。另一方面，为提高材料的导电率，进行导电碳包覆改性对制造高品质纳米钛酸锂是必须的，因此，有机介质又可以作为反应产物的碳源，形成具有以含有大π键的碳六环结构为基体的碳素，从而在钛酸锂晶粒表面形成一层结合紧密、导电性良好的薄层，大幅度减少导电组分的加入量，既改善了粉料的导电性能，又不降低整体的振实密度和比容量。另一方面，碳包覆工艺的采用可以阻止晶粒在高温固相反应过程中的长大，使得一次颗粒保持水热合成前躯体的纳米级。
因此，采用这种工艺合成的钛酸锂产品，既保证了球形形貌，有保证了一次颗粒的尺寸保持在纳米级，提高了材料的导电性、比容量、振实密度等综合性能。
钛酸锂为尖晶石型结构，具有稳定的状态。在电场的作用下，锂离子可以在晶格中定向迁移，表现出一定的导电性，锂迁移速率直接影其响导电率的水平和材料的实际容量。对钛酸锂进行金属掺杂的主要目的有两个：一是为了降低它的电极电位，提高电池能量密度；一是提高材料的导电性，降低电阻和极化。本申请拟采用Mg2+，Zn2+，Al3+，Cr3+等高价金属离子的可溶性盐在液相条件下进行掺杂处理，保证掺杂离子在产品中的均匀性。在此基础上，进行多种金属离子共掺杂进行改性研究。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
实现了工艺设计合理，危险性较低，导电性能改善效果较好，保障了粉体的振实密度，使得电极材料的体积比容量升高的技术效果。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺，其特征在于，所述工艺包括：
步骤1：以锐钛矿型纳米TiO2为原料，在常压下水热反应条件下制造Li-Ti-O三元体系的纳米级前躯体粉末；
步骤2：将原料、辅料、添加助剂制成悬浮液浆料，然后将溶液在一定压力下通过特制的喷嘴，形成液滴成雾状喷入温度恒定在指定范围的焙烧设备中，进行干燥处理，获得球形钛酸锂前驱体粉体。
2.根据权利要求1所述制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺，其特征在于，所述步骤2中添加有机介质作为粘接剂和碳源。
3.根据权利要求1所述制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺，其特征在于，所述进行干燥处理的干燥时间小于等于10分钟。
4.根据权利要求1所述制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺，其特征在于，所述焙烧设备的恒定温度为1000度。
5.根据权利要求1所述制造钛酸锂锂离子电池负极材料的工艺，其特征在于，所述工艺还包括进行导电碳包覆改性。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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