CN105938898A - 一种离子电池负极材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能的钛酸锂‑二氧化钛纳米复合材料锂离子电池负极材料的制备方法,该制备方法工艺简单,制备过程易控制,可进行大规模生产,且绿色环保。本发明产物为二维纳米片结构,当用作锂离子电池负极材料时,由于这种二维结构比表面积较大,有利于增大活性材料和电解液的接触面积,进而缩短了锂离子在电极中的传输路径。更重要的是,这种材料是一种三相共存复合材料,材料内部存在大量的晶界、相界,这有助于锂离子在纳米片的内部快速传导,提高材料的倍率性能,同时晶界区域亦可以储存一部分锂离子,因此可以获得更高的容量。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料制造领域,具体为一种高性能的钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料锂离子电池负极材料的制备方法和应用。
采用水热法制备了一种二维纳米片层结构,经煅烧处理获得了高结晶度的尖晶石型钛酸锂-锐钛矿型二氧化钛-金红石型二氧化钛三相纳米复合材料,应用于锂离子电池的负极时,可提高电池的比容量和倍率性能。
背景技术
锂离子电池以其高能量密度、长循环寿命和环境友好等优点现已成为手机、笔记本电脑等便携式设备的主要电源。近年来,电动工具、电动助力车和电动汽车等领域的迅速发展为锂离子电池提供了良好的应用前景,但同时对锂离子电池的性能也提出了更高的要求,这些性能包括能量密度、功率密度、循环性能以及价格和安全性等。负极材料作为锂离子电池的一个重要组成部分,对电池性能起着关键的作用,特别是廉价、高性能负极材料的研究和开发是制约和引导电池工业发展的重要因素,虽然目前商业化的锂离子电池大多采用石墨作为负极,但是由于其存在的安全隐患以及不理想的循环性能和倍率性能,严重地限制了其在大规模储能设备中的应用,这就促使人们寻找能够替代石墨的负极材料。
在众多的候选材料之中,尖晶石结构的钛酸锂(Li4Ti5O12)由于其在嵌、脱锂过程中晶格常数几乎不发生变化,被称为“零应变’材料,其理论嵌锂电位在1.5V左右,理论比容量为175mA h g-1,具有安全性高、充放电性能好、循环性能优良、充放电电压平台稳定等优点,作为锂离子动力电池负极材料,具有良好发展潜力和应用前景。尽管Li4Ti5O12具有上述优势,但是由于其电导率低(10-13S cm-1)以及锂离子扩散系数较小(10-8~10-13cm2s-1)等问题,严重限制了它的大电流充放电性能,即倍率性能。为了加快Li4Ti5O12的电化学嵌锂反应速率,提高快速充放电性能,制备纳米级Li4Ti5O12是一种有效手段,尤其是二维纳米片状材料可以有效地增大Li4Ti5O12和电解液的接触面积,缩短锂离子在活性材料中的传输距离,使得锂离子能够快速嵌入到活性材料结构中,此外,很多研究已经证实多相体系可以提高材料的晶界密度,锂离子可以通过晶界快速传输到材料内部并进行反应,进而改善材料的倍率性能。我们通过调节前躯体中锂和钛的摩尔比率,利用水热法成功合成了三相的钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料,当其用作锂离子电池负极时,不仅改善了倍率性能,而且还增加了容量。
发明内容
技术问题:本发明的目的是提供一种高性能的钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料锂离子电池负极材料的制备方法,此方法具有合成工艺简单,反应过程易控制,可进行大规模生产和绿色环保等特点。应用于锂离子电池的负极时,可提高电池的比容量和倍率性能。
技术方案:本发明的一种高性能的钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料锂离子电池负极材料,复合材料为二维片状结构,尺寸如下:长度500nm,宽度200nm,厚度10nm。
制备方法如下:
步骤一、将钛酸丁酯滴入到盛有无水乙醇的容器中,然后将上述混合溶液搅拌0.5~1.5小时,钛酸丁酯和无水乙醇的摩尔比为1∶30~1∶40;同时,将氢氧化锂溶于盛有去离子水的容器中,搅拌直到氢氧化锂完全溶解,氢氧化锂和去离子水的摩尔比为1∶120~1∶140;将氢氧化锂溶液逐滴滴入盛有钛酸丁酯和乙醇的容器中,此时需要在剧烈的搅拌下进行滴加;滴加完毕后,生成的乳白色溶液需要继续剧烈地搅拌1~3小时;
步骤二、将步骤一中得到的乳白色溶液装入水热反应釜中、密封,并将反应釜置于160~180℃的干燥箱中加热22~24小时;待反应结束后将产物离心,倒掉上清液,并将沉淀物彻底清洗干净,将得到白色固体置于60~80℃的真空干燥箱中干燥8~12小时;
步骤三、将步骤二中得到的产物在马弗炉中进行煅烧处理,增加其结晶度,得到高性能的钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料锂离子电池负极材料。
煅烧温度和时间的选择:提高煅烧温度和时间时,产物结晶度提高,但晶粒尺寸增大,降低煅烧温度和时间时,产物晶粒尺寸较小,而结晶度却下降了。因此,在保持一定的结晶度的前提下,尽可能下调煅烧温度和时间,这样有利于获得尺寸更小的材料,而且还可以降低能源的消耗。综合考虑,煅烧温度区间和煅烧时间为500~700℃下保温5~7小时。
有益效果:
1、本发明采用水和乙醇溶液做溶剂,绿色环保。采用水热法制备纳米材料,工艺简单易控制,制备的材料性能好,过程成本低,适于工业化生产。
2、本发明产物为二维片状结构,与传统的微米级块体材料相比,拥有更大的表面区域,极大地增加了活性材料和电解液的接触面积,进而缩短了锂离子在电极材料中的传输路径,更有利于提高材料的倍率性能。
3、本发明产物是一种包括尖晶石型钛酸锂-锐钛矿型二氧化钛-金红石型二氧化钛的三相复合材料,内部含有丰富的晶界和相界,这些界面在纳米片内部形成三维网络,有利于锂离子快速传输到纳米片内部,并与内部的材料发生电化学反应,极大地提高了材料的倍率性能。此外,晶界也可以储存一部分锂离子,因此可以提高材料的容量。
附图说明
图1是本发明实施例1得到的钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料锂离子电池负极材料的X射线衍射(XRD)图谱。其中●表示尖晶石相LI4Ti5O12,◆表示锐钛矿相TiO2,表示金红石相TiO2。
图2是本发明实施例1得到的钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料锂离子电池负极材料的扫描电镜图。
图3是本发明实施例1得到的钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料锂离子电池负极材料的透射电镜图。
图4(a)是钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料作为锂离子电池负极的装配示意图,(b)纽扣电池实物图。
图5是本发明实施实例1得到的钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料锂离子电池负极材料的首次充放电图,电流密度为1C(1C=175mA h g-1),电压区间为1~2.5V。首次放电容量为192mA h g-1,充电容量为172mA h g-1,首次可逆容量接近理论容量。
图6是本发明实施实例1得到的钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料锂离子电池负极材料的循环性能图,电流密度为1C(1C=175mA h g-1),电压区间为1~2.5V。经过100次循环,比容量保持在170mA h g-1,库伦效率接近100%,容量保持率高达98.8%。
具体实施方式
参照附图并结合下述实施例进一步说明本发明。应理解附图及实施例都仅是示例性的,而非用于限制本发明。
实施例1
将6.9mL钛酸丁酯滴入到盛有40mL的无水乙醇的烧杯中,搅拌0.5小时,钛酸丁酯和无水乙醇的摩尔比为1∶34;同时,将0.705g氢氧化锂溶于盛有40mL的去离子水的烧杯中,氢氧化锂和去离子水的摩尔比为1∶132,搅拌直到氢氧化锂完全溶解。将氢氧化锂溶液逐滴滴入盛有钛酸丁酯和乙醇的烧杯中,此时需要在剧烈的搅拌下进行滴加。滴加完毕后,生成的乳白色溶液需要继续剧烈地搅拌2个小时;
将得到的乳白色溶液装入水热反应釜中、密封,并将反应釜置于180℃的干燥箱中加热24小时。待反应结束后将产物离心,倒掉上清液,并将沉淀物彻底清洗干净,将得到白色固体置于60℃的真空干燥箱中干燥12小时;
将干燥后的产物置于马弗炉中,于600℃下进行6小时的煅烧处理。
将煅烧后的产物进行X射线衍射分析,如图1所示。所得产物结晶度很高,为典型的三相复合物,其中含量最多的是尖晶石型钛酸锂,相比而言,锐钛矿型二氧化钛和金红石型二氧化钛的含量很少。
对产物进行扫描电镜表征,结果如图2所示,可见产物为二维片状结构,分布均匀,且纳米片尺寸一致,长、宽、厚度分别约为500nm、200nm和10nm。
对产物进行透射电镜表征,由图3a知,该纳米片厚度仅为10nm,高分辨透射电镜如图3b-d所示,可以看到材料含有大量的晶界,结晶性完好。
对产物进行切割装配锂离子电池,装配图如图4所示,a图为电池装配示意图,b图为锂电池实物图。
对该产物做负极的锂离子电池在电流密度1C(1C=175mA h g-1)下进行恒电流充放电测试分析,结果如图5所示,
对该产物做负极的锂离子电池在电流密度1C(1C=175mA h g-1)下进行循环性能测试分析,由图6所示
实施例2
将6.9mL钛酸丁酯滴入到盛有35mL的无水乙醇的烧杯中,搅拌0.5小时,钛酸丁酯和无水乙醇的摩尔比为1∶30;同时,将0.755g氢氧化锂溶于盛有40mL去离子水的烧杯中,氢氧化锂和去离子水的摩尔比为1∶123.5,搅拌直到氢氧化锂完全溶解。将氢氧化锂溶液逐滴滴入盛有钛酸丁酯和乙醇的烧杯中,此时需要在剧烈的搅拌下进行滴加。滴加完毕后,生成的乳白色溶液需要继续剧烈地搅拌1个小时;
将得到的乳白色溶液装入水热反应釜中、密封,并将反应釜置于160℃的干燥箱中加热22小时。待反应结束后将产物离心,倒掉上清液,并将沉淀物彻底清洗干净,将得到白色固体置于70℃的真空干燥箱中干燥10小时;
将干燥后的产物置于马弗炉中,于500℃下进行5小时的煅烧处理。
实施例3
将6.9mL钛酸丁酯滴入到盛有46.7mL的无水乙醇的烧杯中,搅拌0.5小时,钛酸丁酯和无水乙醇的摩尔比为1∶40;同时,将0.671g氢氧化锂溶于盛有40mL去离子水的烧杯中,氢氧化锂和去离子水的摩尔比为1∶138.9,搅拌直到氢氧化锂完全溶解。将氢氧化锂溶液逐滴滴入盛有钛酸丁酯和乙醇的烧杯中,此时需要在剧烈的搅拌下进行滴加。滴加完毕后,生成的乳白色溶液需要继续剧烈地搅拌3个小时;
将得到的乳白色溶液装入水热反应釜中、密封,并将反应釜置于170℃的干燥箱中加热23小时。待反应结束后将产物离心,倒掉上清液,并将沉淀物彻底清洗干净,将得到白色固体置于80℃的真空干燥箱中干燥8小时;
将干燥后的产物置于马弗炉中,于700℃下进行7小时的煅烧处理。
Claims (5)
1.一种锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
步骤一、将钛酸丁酯滴入到盛有无水乙醇的容器中,然后将上述混合溶液搅拌0.5~1.5小时,钛酸丁酯和无水乙醇的摩尔比为1∶30~1∶40;同时,将氢氧化锂溶于盛有去离子水的容器中,搅拌直到氢氧化锂完全溶解,氢氧化锂和去离子水的摩尔比为1∶120~1∶140;将氢氧化锂溶液逐滴滴入盛有钛酸丁酯和乙醇的容器中,此时需要在剧烈的搅拌下进行滴加;滴加完毕后,生成的乳白色溶液需要继续剧烈地搅拌1~3小时;
步骤二、将步骤一中得到的乳白色溶液装入水热反应釜中、密封,并将反应釜置于160~180℃的干燥箱中加热22~24小时;待反应结束后将产物离心,倒掉上清液,并将沉淀物彻底清洗干净,将得到白色固体置于60~80℃的真空干燥箱中干燥8~12小时;
步骤三、将步骤二中得到的产物在马弗炉中进行煅烧处理,增加其结晶度,得到高性能的钛酸锂-二氧化钛纳米复合材料锂离子电池负极材料。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤一所述剧烈搅拌的条件为在溶液不溢出烧杯前提下,尽可能地提高搅拌速度。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤一所述将氢氧化锂溶液逐滴滴入盛有钛酸丁酯和乙醇的容器中,其中,钛酸丁酯与乙醇的体积比为1∶5.072~1∶6.768。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤二所述彻底清洗干净的条件为使用去离子水和无水乙醇分别洗涤三次。
5.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料的制备方法,其特征在于,步骤三所述煅烧处理的温度为500~700℃,升温速率为5℃/min,保温时间为5~7小时,降温随炉冷却,压力为常压,气氛是空气。
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