CN108075120B - 一种球状钛酸锂材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球状钛酸锂材料的制备方法,包括步骤:按一定比例称取有机锂源、钛酸酯,依次加入含有一定量醇溶剂的高剪切均质乳化机中进行溶解,得到均匀分散的溶液;再加入一定量的酸性氧化物,继续分散得到均匀分布的悬浊液;然后将悬浊液进行闭式喷雾干燥,得到球形化的前驱体;最后在空气气氛下烧结,得到球状钛酸锂材料。本发明利用可溶性的锂源、钛源作为原材料,可实现分子级别的均匀分散,并用酸性氧化物进行包覆,适当降低材料pH值,缓解吸水性能,改善电芯产气问题;另外作为球形材料,可提高振实密度;且选取的原材料广泛易得,高温固相法的工艺路线更易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域,具体是一种球状钛酸锂材料的制备方法。
背景技术
在低碳经济、节能减排的大环境下,新能源汽车代表着未来汽车行业的发展方向,是中国汽车工业赶超世界汽车工业的新起点。锂离子电池是新能源汽车主要动力之一,新能源汽车产业化将直接带动锂离子电池市场快速增长,再加上传统的消费电子、电动工具和电动自行车以及新能源储能系统对锂离子电池需求的日渐扩大,锂离子电池及其材料市场空间巨大。
目前商品化的锂离子电池广泛采用的负极材料是石墨类碳材料,但由于碳/石墨第一次充放电时,会在碳表面形成钝化膜,造成容量损失;尖晶石结构的钛酸锂具有1.55V较高的嵌锂电位,不易引起金属锂析出,不会与电解液反应形成热稳定性差的SEI膜,作为电池负极的安全性更高。尖晶石钛酸锂在充放电过程中骨架结构几乎不发生变化(晶胞体积变化小于0.1%),循环稳定性优异。该材料还具有较高的库仑效率和锂离子扩散系数(2×10-8cm2/s)等优良特性,具备了下一代锂离子电池必需的充电次数更多、充电过程更快、更经济、更安全的特性,在动力或大型储能电池领域有广泛的应用。同时,尖晶石钛酸锂还可应用于超级电容器,用在电动车或混合动力汽车领域,满足快充快放的高功率要求。
但是,能量密度低是尖晶石结构的钛酸锂的主要缺陷,限制了该材料的应用。通过合成由纳米晶粒组成的二次球形钛酸锂颗粒,不仅能保持材料原有的高电化学性能,还能改善极片加工性能、提高材料的能量密度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷,提供一种球状钛酸锂材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种球状钛酸锂材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)按一定比例称取有机锂源、钛酸酯,依次加入含有一定量醇溶剂的高剪切均质乳化机中进行溶解、混合1h,得到均匀分散的溶液;
(2)向步骤(1)中的溶液中加入一定量的酸性氧化物,继续分散1h,得到均匀分布的悬浊液;
(3)将步骤(2)中悬浊液进行闭式喷雾干燥,得到球形化的前驱体;
(4)将步骤(3)中球形化的前驱体在空气气氛下烧结,得到球状钛酸锂材料。
作为优选,所述步骤(1)中有机锂源为乙酸锂、柠檬酸锂中一种或两种。
作为优选,所述步骤(1)中的钛酸酯为钛酸四甲酯、钛酸四丁酯、钛酸异丁酯、钛酸四异丙酯中的一种或多种。
作为优选,所述步骤(1)中的醇溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或多种。
作为优选,所述步骤(1)中的有机锂源与钛酸酯的比例是按照Li:Ti的摩尔比为0.8-0.9:1计算所得。
作为优选,所述步骤(1)中的醇溶剂量是有机锂源和钛酸酯的质量之和的1.5倍。
作为优选,所述步骤(2)中的酸性氧化物为纳米级七氧化二锰、三氧化铬中的一种或两种。
作为优选,所述步骤(2)中的酸性氧化物加入量是有机锂源质量的0.5%-1%。
作为优选,所述步骤(3)中的球形化前驱体的球径为10-20μm之间。
作为优选,所述步骤(4)中的烧结温度为730-750℃,保温时间为10-12h。
本发明的有益效果:本发明中选用可溶性原材料,可实现分子级别的均匀分布;并对钛酸锂材料进行了酸性氧化物的包覆,可适当调节降低材料自身pH值,降低材料的吸水性和改善电芯产气问题;另外作为球形材料,可提高振实密度;且选取的原材料广泛易得,高温固相法的工艺路线更易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明一种球状钛酸锂材料的制备方法的工艺流程图。
图2为喷雾干燥后球形化前驱体的SEM照片(sample1:实施例1制备的球形化前驱体;sample2:实施例2制备的球形化前驱体;sample3:实施例4制备的球形化前驱体)。
图3为烧结后球状钛酸锂的SEM照片(sample1:实施例1制备的球状钛酸锂材料;sample2:实施例2制备的球状钛酸锂材料;sample3:实施例4制备的球状钛酸锂材料)。
图4为烧结后球状钛酸锂的XRD图(sample1:实施例1制备的钛酸锂材料;sample2:实施例2制备的钛酸锂材料;sample3:实施例4制备的钛酸锂材料)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种球状钛酸锂材料,其主体成分为钛酸锂,含少量酸性氧化物包覆,具有相对较低的pH值。
制备方法如图1所示,Ⅰ:原辅材料,Ⅱ:混合后的悬浊液,Ⅲ:干燥后球形化前驱体,Ⅳ:烧结后球状钛酸锂成品,具体包括以下步骤:
1、分别称取99.5%的乙酸锂53.06g和95%的钛酸四丁酯358.23g,即按照Li:Ti=0.8:1的摩尔比配料,加入含617g乙醇溶剂的高剪切均质乳化机溶解、混合1h,形成均匀分散的透明溶液;
2、向步骤1中所得溶液中添加0.27g纳米级七氧化二锰,再经过高剪切均质乳化机进行混合分散1h,形成均匀分散的悬浊液;
3、将步骤2中所得悬浊液进行闭式喷雾干燥,蠕动泵转速调到8rpm,雾化频率30Hz,得到球径为10-20μm之间球形化的前驱体;
4、将步骤3中所得球形化的前驱体在空气气氛下的网带炉内进行750℃高温烧结,保温时间为10h,所得烧结物即为球状钛酸锂材料。
实施例2
一种球状钛酸锂材料,其主体成分为钛酸锂,含少量酸性氧化物包覆,具有相对较低的pH值。
具体制备方法包括以下步骤:
1、分别称取99.5%的乙酸锂55.71g和95%的钛酸四丁酯358.23g,即按照Li:Ti=0.84:1的摩尔比配料,加入含621g乙醇溶剂的高剪切均质乳化机溶解、混合1h,形成均匀分散的透明溶液;
2、向步骤1中所得溶液中添加0.43g纳米级三氧化铬,再经过高剪切均质乳化机进行混合分散1h,形成均匀分散的悬浊液;
3、将步骤2中所得悬浊液进行闭式喷雾干燥,蠕动泵转速调到8rpm,雾化频率30Hz,得到球径为10-20μm之间球形化的前驱体;
4、将步骤3中所得球形化前驱体在空气气氛下的网带炉内进行750℃高温烧结,保温时间为12h,所得烧结物即为球状钛酸锂材料。
实施例3
一种球状钛酸锂材料,其主体成分为钛酸锂,含少量酸性氧化物包覆,具有相对较低的pH值。
具体制备方法包括以下步骤:
1、分别称取99.5%的乙酸锂55.71g和95%的钛酸四乙酯240.16g,即按照Li:Ti=0.84:1的摩尔比配料,加入含444g甲醇溶剂的高剪切均质乳化机溶解、混合1h,形成均匀分散的透明溶液;
2、向步骤1中所得溶液中添加0.41g纳米级三氧化铬,再经过高剪切均质乳化机进行混合分散1h,形成均匀分散的悬浊液;
3、将步骤2中所得悬浊液进行闭式喷雾干燥,蠕动泵转速调到8rpm,雾化频率30Hz,得到球径为10-20μm之间球形化的前驱体;
4、将步骤3中所得球形化前驱体在空气气氛下的网带炉内进行730℃高温烧结,保温时间为12h,所得烧结物即为球状钛酸锂材料。
实施例4
一种球状钛酸锂材料,其主体成分为钛酸锂,含少量酸性氧化物包覆,具有相对较低的pH值。
具体制备方法包括以下步骤:
1、分别称取99.5%的乙酸锂54.39g和95%的钛酸四异丙酯299.18g,即按照Li:Ti=0.82:1的摩尔比配料,加入含530g异丙醇溶剂的高剪切均质乳化机溶解、混合1h,形成均匀分散的透明溶液;
2、向步骤1中所得溶液中添加0.18g纳米级七氧化二锰和0.18g三氧化铬,再经过高剪切均质乳化机进行混合分散1h,形成均匀分散的悬浊液;
3、将步骤2中所得悬浊液进行闭式喷雾干燥,蠕动泵转速调到8rpm,雾化频率30Hz,得到球径为10-20μm之间球形化的前驱体;
4、将步骤3中所得球形化前驱体在空气气氛下的网带炉内进行750℃高温烧结,保温时间为10h,所得烧结物即为球状钛酸锂材料。
图2为喷雾干燥后球形化前驱体的SEM照片(sample1:实施例1制备的球形化前驱体;sample2:实施例2制备的球形化前驱体;sample3:实施例4制备的球形化前驱体)。由图可以看出,球形化前驱体的尺寸大多在10-20μm。图3为烧结后球状钛酸锂的SEM照片(sample1:实施例1制备的球状钛酸锂材料;sample2:实施例2制备的球状钛酸锂材料;sample3:实施例4制备的球状钛酸锂材料)。由图可以看出,烧结后的物料也是球形化的,而且从高倍率图片上可以看出颗粒单分散性良好。图4为烧结后球状钛酸锂的XRD图(sample1:实施例1制备的钛酸锂材料;sample2:实施例2制备的钛酸锂材料;sample3:实施例4制备的钛酸锂材料)。由图可以看出,实施例1、2和4制备的都是纯相钛酸锂。
实施例5
一种球状钛酸锂材料,其主体成分为钛酸锂,含少量酸性氧化物包覆,具有相对较低的pH值。
具体制备方法包括以下步骤:
1、分别称取99.5%的乙酸锂59.69g和95%的钛酸四乙酯240.16g,即按照Li:Ti=0.9:1的摩尔比配料,加入含450g甲醇溶剂的高剪切均质乳化机溶解、混合1h,形成均匀分散的透明溶液;
2、向步骤1中所得溶液中添加0.59g纳米级三氧化铬,再经过高剪切均质乳化机进行混合分散1h,形成均匀分散的悬浊液;
3、将步骤2中所得悬浊液进行闭式喷雾干燥,蠕动泵转速调到8rpm,雾化频率30Hz,得到球径为10-20μm之间球形化的前驱体;
4、将步骤3中所得球形化前驱体在空气气氛下的网带炉内进行740℃高温烧结,保温时间为12h,所得烧结物即为球状钛酸锂材料。
实施例6
一种球状钛酸锂材料,其主体成分为钛酸锂,含少量酸性氧化物包覆,具有相对较低的pH值。
具体制备方法包括以下步骤:
1、分别称取99.5%的柠檬酸锂75.57g和95%的钛酸四丁酯358.23g,即按照Li:Ti=0.8:1的摩尔比配料,加入含650.7g乙醇溶剂的高剪切均质乳化机溶解、混合1h,形成均匀分散的透明溶液;
2、向步骤1中所得溶液中添加0.27g纳米级七氧化二锰,再经过高剪切均质乳化机进行混合分散1h,形成均匀分散的悬浊液;
3、将步骤2中所得悬浊液进行闭式喷雾干燥,蠕动泵转速调到8rpm,雾化频率30Hz,得到球径为10-20μm之间球形化的前驱体;
4、将步骤3中所得球形化的前驱体在空气气氛下的网带炉内进行750℃高温烧结,保温时间为11h,所得烧结物即为球状钛酸锂材料。
表1为实施例1、2、3、4、5、6中制备的钛酸锂材料样品在半电池中电性能对比数据。
表1
样品 | 0.2C | 1C | 3C | pH |
实施例1 | 167.4mAh/g | 165.1mAh/g | 153.7mAh/g | 10.51 |
实施例2 | 166.8mAh/g | 161.7mAh/g | 151.4mAh/g | 10.67 |
实施例3 | 171.5mAh/g | 164.3mAh/g | 152.7mAh/g | 10.35 |
实施例4 | 170.8mAh/g | 164.9mAh/g | 149.3mAh/g | 10.18 |
实施例5 | 166.7mAh/g | 162.5mAh/g | 151.1mAh/g | 10.22 |
实施例6 | 167.2mAh/g | 164.3mAh/g | 150.3mAh/g | 10.19 |
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对实施案例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施案例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种球状钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)按一定比例称取有机锂源、钛酸酯,依次加入含有一定量醇溶剂的高剪切均质乳化机中进行溶解、混合1h,得到均匀分散的溶液;
(2)向步骤(1)中的溶液中加入一定量的酸性氧化物,继续分散1h,得到均匀分布的悬浊液;酸性氧化物为纳米级七氧化二锰、三氧化铬中的一种或两种;
(3)将步骤(2)中悬浊液进行闭式喷雾干燥,得到球形化的前驱体;
(4)将步骤(3)中球形化的前驱体在空气气氛下烧结,得到球状钛酸锂材料。
2.根据权利要求1所述的球状钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中有机锂源为乙酸锂、柠檬酸锂中一种或两种。
3.根据权利要求1所述的球状钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中的钛酸酯为钛酸四甲酯、钛酸四丁酯、钛酸异丁酯、钛酸四异丙酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的球状钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中的醇溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的球状钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中的有机锂源与钛酸酯的比例是按照Li:Ti的摩尔比为0.8-0.9:1计算所得。
6.根据权利要求1所述的球状钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(1)中的醇溶剂量是有机锂源和钛酸酯的质量之和的1.5倍。
7.根据权利要求1所述的球状钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(2)中的酸性氧化物加入量是有机锂源质量的0.5%-1%。
8.根据权利要求1所述的球状钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(3)中的球形化前驱体的球径为10-20μm之间。
9.根据权利要求1所述的球状钛酸锂材料的制备方法,其特征在于,所述步骤(4)中的烧结温度为730-750℃,保温时间为10-12h。
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