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一种二氧化钛负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体来说是一种二氧化钛负极材料及其制备方法。上述方法为：将钛酸四丁酯加入尿素-氯化胆碱离子液体、水和冰乙酸组成的混合液中进行反应，水洗过滤，将滤得物干燥后，焙烧，即得。钛酸四丁酯、尿素-氯化胆碱离子液体、水和冰乙酸的较优体积比为：2-4：3-8：3-4：1-2。该方法简单环保，易于产业化，所得产品可以达到纳米级，且具有较高的容量和良好的循环稳定性。

Description

一种二氧化钛负极材料及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体来说是一种二氧化钛负极材料及其制备方法，可以达到纳米级水平。
背景技术
随着高能便携电源和动力电池的需求激增，对锂离子电池性能的要求也不断提高。负极材料是锂离子电池重要组成部分，其性能好坏直接影响锂离子电池的使用寿命。目前商业化的负极材料主要是碳基材料，但其自身也还存在缺陷，如生成SEI膜降低循环寿命，当电池过充电时，碳电极表面可能会形成锂枝晶从而造成电池短路。二氧化钛作为锂离子电池负极材料，在嵌锂和脱锂过程中体积膨胀小(3％)，放电平台在1.7V左右，而且原料丰富、绿色环保，具有循环稳定性好和安全性好等优势，是一种具有发展前途的负极材料。
由于二氧化钛电子导电率和Li+扩散系数低，导致其倍率性能差而没有得到广泛应用。二氧化钛纳米化被证明是提高其电化学性能的有效方法之一。近年来人们用各种方法合成了纳米二氧化钛用做锂离子电池负极材料。SungWooOh等用水热法制备了22nm二氧化钛，在0.4mAcm-2电流密度下循环100次容量为170mAhg-1。S.Casino等用不同表面活性剂补助溶胶-凝胶法合成多孔纳米二氧化钛，表现出好的倍率性能。Li等用溶剂热法合成了多孔二氧化钛纳米片，在1C(1C＝168mAhg-1)倍率下首次放电比容量为210mAhg-1，50次循环后保持151mAhg-1比P25高出30mAhg-1容量。Yang等用[bmin][BF4]离子液体水热合成高度(001)晶面暴露的纳米二氧化钛立方块，展现良好倍率和循环性能。
然而以上制备方法需要大量溶剂、较高能量且反应难控制，不利于大批量生产。尿素-氯化胆碱作为功能化离子液体制备简单，原料成本低，适合工业生产；对水相对稳定，易于保存，无毒，绿色环保；而且其表面张力小，利于成核，有效减小颗粒粒度。基于上述优点，尿素-氯化胆碱在催化、有机合成、溶解、分离和电化学等很多领域中有着广阔的应用前景。Q.Q.Xiong等用尿素-氯化胆碱离子液体一步法合成纺锤状纳米Fe2O3，在200mAg-1电流密度下充放电循环50次后容量为921.7mAhg-1。但是关于用尿素-氯化胆碱合成二氧化钛作为锂离子负极材料的方法还没有报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提出如下的技术方案：
一种二氧化钛负极材料的制备方法：将钛酸四丁酯加入尿素-氯化胆碱离子液体、水和冰乙酸组成的混合溶液中进行反应，洗涤过滤，将滤得物干燥后，焙烧，即得。
为了取得更优的效果，在小剂量实验条件下，钛酸四丁酯可以滴加到混合溶液中，滴加的过程中，可以保持溶液处于震荡或搅拌状态；当大剂量或试产条件下，钛酸四丁酯可以缓慢加入处于搅拌状态下的混合溶液中。上述方式都是为了让反应更加的充分、彻底。
尿素-氯化胆碱离子液体是最早由Abbott提出的一种共融溶剂，具有较低的熔点和凝固点，较强的溶解性，内部可形成氢键。该离子液体现已成为一个较为通用的、较为熟知的常规产品，使用者都是把原料也就是氯化胆碱和尿素准备好后，现用现配，而且都是通过将氯化胆碱和尿素按1：2的摩尔比搅拌混合加热制备而成，本发明也遵循这一方法。
上述Abbott有关尿素-氯化胆碱离子液体的性能及制备详见AndrewP.Abbott,GlenCapper,DavidL.Davies,RaymondK.RasheedandVasukiTambyrajah.Novelsolventpropertiesofcholinechloride/ureamixtures[J].ChemicalCommunications,2003,70-71。
为了使目标产品的形貌、性能更优，上述干燥工序选用冷冻干燥，冷冻干燥也简称冻干。
进一步的，钛酸四丁酯、尿素-氯化胆碱离子液体、水和冰乙酸的体积比为2-4：3-8：3-4：1-2。
进一步的，作为上述体积比的较优实施例，我们采用钛酸四丁酯、尿素-氯化胆碱离子液体、水和冰乙酸的体积比为2：3：3：1。
进一步的，上述反应条件为：70-100℃下反应3-5小时。
进一步的，上述焙烧条件为：450-550℃下焙烧3-5小时。
本发明还提供了由上述制备方法而得到的二氧化钛负极材料。
另外，钛酸四丁酯为无色至浅黄色液体，CAS:5593-70-4，相对密度：0.996，凝固点：-55℃，沸点：310～314℃。
本发明有益效果：本制备方法利用了离子液体高溶解性的特点，尿素-氯化胆碱离子液体的两种合成原料来源丰富且价格低廉，合成方法简单，是一种绿色溶剂，制备出的二氧化钛负极材料具有较高的容量和良好的循环稳定性。
另外本发明选用钛酸四丁酯为原料，还考虑了其为液态这一有利的状态，使用方便，主要是原料投料更为便捷，而且液体状的钛酸四丁酯加入搅拌状态下的混合液中，反应非常迅速、充分，便于生产，更有利于得到优异的产品。
附图说明
图1为实施例1制备的二氧化钛产品的XRD图。
图2为实施例1制备的二氧化钛产品的氮气吸/脱附等温曲线及其孔径分布图。
图3为实施例1制备的二氧化钛产品在0.5C下的循环性能图。
图4为实施例2制备的二氧化钛产品的XRD图。
图5为实施例2制备的二氧化钛产品的充放电曲线图。
图6为实施例3制备的二氧化钛产品在0.5C下的循环性能图。
图7为实施例3制备的二氧化钛产品在0.5C下的倍率性能图。
图8为实施例4制备的二氧化钛产品在0.5C下的循环性能图。
图9为实施例5制备的二氧化钛产品的SEM图。
图10为实施例5制备的二氧化钛产品的氮气吸/脱附等温曲线及其孔径分布图。
图11为实施例6制备的二氧化钛产品的SEM图。
图12为实施例6制备的二氧化钛产品在0.5C下的循环性能图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种修改或改动，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
下述本系列实施例中，所用尿素-氯化胆碱离子液体是通过将氯化胆碱和尿素按1：2的摩尔比搅拌混合加热到80℃制备而成的。
实施例1
分别取15mL尿素-氯化胆碱离子液体、15mLH2O、5mL冰乙酸混合搅拌均匀，将10mL钛酸四丁酯缓慢滴加到装有上述混合液的烧瓶中，升温到80℃反应4h得到白色产物，然后产物水洗过滤后，冷冻干燥，然后放入马弗炉，在500℃下焙烧3h，得到二氧化钛产品。
产品为锐钛矿型二氧化钛，XRD谱图如图1所示。合成的二氧化钛产品的氮气吸/脱附等温曲线及其孔径分布如图2所示，氮吸附曲线为Ⅳ型而且有明显的回滞环，说明材料中存在大量的孔道结构，采用BJH方程计算结果为11.6nm，对应的表面积为52.1m2/g。图3为二氧化钛产品在0.5C下的循环性能图，可逆放电比容量为193.2mAhg-1。循环50圈后放电比容量为171.9mAhg-1，容量保持率分别为89.0％。
实施例2
分别取15mL尿素-氯化胆碱离子液体、20mLH2O、5mL冰乙酸混合搅拌均匀，将20mL钛酸四丁酯缓慢滴加到装有上述混合液的烧瓶中，升温到100℃反应4h得到白色产物，然后产物水洗过滤，普通干燥，然后放入马弗炉，在500℃下焙烧3h，得到二氧化钛产品。
产品为锐钛矿型二氧化钛，XRD谱图如图4所示。合成的二氧化钛产品在第1、2、50圈的充放电曲线如图5所示，在2.0和1.7V左右分布有稳定的充放电平台，对应于Li+在二氧化钛中嵌入和脱出时Ti3+/Ti4+电对的氧化还原反应。
实施例3
分别取15mL尿素-氯化胆碱离子液体、15mLH2O、10mL冰乙酸混合搅拌均匀，将10mL钛酸四丁酯缓慢滴加到装有上述混合液的烧瓶中，升温到70℃反应5h得到白色产物，然后产物水洗过滤，冷冻干燥，然后放入马弗炉，在550℃下焙烧5h时间得到二氧化钛产品。
二氧化钛产品在0.5C下的循环性能图如图6所示，可逆放电比容量为187.9mAhg-1。循环50圈后放电比容量为155.6mAhg-1，容量保持率为82.8％。从倍率性能图，即图7得知，电流密度在0.5、1、2、5、10C倍率下的放电比容量分别为187.8、168.9、144.3、112.9、89.3mAhg-1，当电流恢复至0.5C时，放电比容量为180.2mAhg-1，说明该材料具有较好可逆性和倍率性能。
实施例4
分别取50mL尿素-氯化胆碱离子液体、15mLH2O、10mL冰乙酸混合搅拌均匀，将10mL钛酸四丁酯缓慢滴加到装有上述混合液的烧瓶中，升温到70℃反应5h得到白色产物，然后产物水洗过滤后，普通干燥，然后放入马弗炉，在550℃下焙烧4h时间得到二氧化钛产品。
二氧化钛产品在0.5C下的循环性能如图8所示，可逆放电比容量为176.3mAhg-1。循环50圈后放电比容量为101.4mAhg-1，容量保持率为57.5％。
实施例5
分别取40mL尿素-氯化胆碱离子液体、15mLH2O、10mL冰乙酸混合搅拌均匀，将10mL钛酸四丁酯缓慢滴加到装有上述混合液的烧瓶中，升温到100℃反应3h得到白色产物，然后产物水洗过滤后，冷冻干燥，然后放入马弗炉，在450℃下焙烧5h时间得到二氧化钛产品。
合成二氧化钛产品的SEM图如图9所示，二氧化钛产品是由直径为50-100nm的颗粒组成。氮气吸/脱附等温曲线及其孔径分布如图10所示，氮吸附曲线为Ⅳ型而且有明显的回滞环，说明材料中存在大量的孔道结构，采用BJH方程计算结果为13.0nm，对应的表面积为48.5m2/g。
实施例6
分别取15mL尿素-氯化胆碱离子液体、15mLH2O、5mL冰乙酸混合搅拌均匀，将10mL钛酸四丁酯缓慢滴加到装有上述混合液的烧瓶中，升温到90℃反应3h得到白色产物，然后产物水洗过滤后，冷冻干燥，然后放入马弗炉，在450℃下焙烧5h得到二氧化钛产品。
合成二氧化钛产品的SEM图如图11所示，二氧化钛产品是由直径为50-100nm的颗粒组成。二氧化钛产品在0.5C下的循环性能如图12所示，可逆放电比容量为82.3mAhg-1。循环50圈后放电比容量为81.2mAhg-1，容量保持率为98.7％。
上述各实施例的表征方法如下：
(1)XRD：采用荷兰帕纳科X'PertPRO型X射线衍射仪对样品进行物相分析，测试条件：以Cu-Kα辐射，40kV，100mA，扫描范围(2θ)10～80°。
(2)SEM：采用日本日立公司S-4800型场发射高分辨率扫描电子显微镜对样品形貌和颗粒分布进行观察。
(3)采用北京金埃谱公司V-SorbX800比表面测试仪对材料进行比表面及孔径分析。
(4)电化学性能测试：将产品粉末、superP和PVDF按质量比8∶1∶1在溶剂NMP中混合均匀，然后均匀涂布在集流体铜箔上，120℃真空干燥12h，最后裁剪为直径14mm的负极片。以纳米二氧化钛为正极，Celgard2400聚丙烯为隔膜，1.0mol·L-1LiPF6/EC、DMC、EMC(体积比为1∶1∶1)溶液为电解液,金属锂为负极，在氩气气氛的手套箱中装配成CR2032型扣式电池。采用新威尔公司CT-3008型电池测试仪进行充放电测试。测试电流0.5C(1C＝335mAhg-1)，电压范围1～3V，测试温度25℃。采用美国Gamry公司Interface1000电化学工作站进行交流阻抗(频率0.01Hz-105Hz)和循环伏安(电压1.0-3.0V，扫描速率0.2mV/s)测试。
superP为瑞士产，特米高超导炭黑，市场上可以直接购买到。

Claims (10)

1.一种二氧化钛负极材料的制备方法，其特征在于，将钛酸四丁酯加入尿素-氯化胆碱离子液体、水和冰乙酸组成的混合液中进行反应，洗涤过滤，将滤得物干燥后，焙烧，即得。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥工序为冷冻干燥。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，钛酸四丁酯、尿素-氯化胆碱离子液体、水和冰乙酸的体积比为2-4：3-8：3-4：1-2。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，钛酸四丁酯、尿素-氯化胆碱离子液体、水和冰乙酸的体积比为2：3：3：1。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，反应条件为：70-100℃下反应3-5小时。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，焙烧的条件为：450-550℃下焙烧3-5小时。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，反应条件为：70-100℃下反应3-5小时。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，焙烧的条件为：450-550℃下焙烧3-5小时。
9.根据权利要求7所述的制备方法而得到的二氧化钛负极材料。
10.根据权利要求8所述的制备方法而得到的二氧化钛负极材料。
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