CN110021750A - 一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料的方法，采用固相合成法合成钛酸锂负极材料时，利用机械力辅助对钛源材料和锂源材料进行研磨处理，得到纯相钛酸锂负极材料。还包括如下步骤：S1、将钛源材料和锂源材料按照计量比混合，获得混合反应物料；S2、将获得的混合反应物料置入反应区；S3、对位于反应区的混合反应物料加热、保温和冷却流程的同时，借助于研磨球对混合反应物进行研磨处理，冷却完成后得到纯相钛酸锂负极材料。本发明提供的合成钛酸锂负极材料的方法能够达到缩短工艺时间、降低工艺能耗，提高产品性能的目的。

Description

一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料的方法
技术领域
本发明属于电池技术领域，尤其涉及一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料的方法。
背景技术
Li4Ti5O12负极材料在嵌锂/脱锂过程中晶胞常数和体积变化率均小于 1％，具有结构稳定、长寿命、高安全等优点，因此在动力及储能领域受到广泛关注。固相合成法是工业合成钛酸锂的一般方法，通常是将 LiOH·H2O或Li2CO3和TiO2等原料通过机械球磨进行长时间的研磨，使物料混合均匀，然后在800℃以上烧结制得。
固相合成法具有工艺流程简单，易操作等优点，但也存在工艺时间长、能耗高、产物颗粒不均匀、易团聚等缺点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对现有存在的技术问题，本发明提供一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料的方法，能够达到缩短工艺时间、降低工艺能耗，提高产品性能的目的。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料的方法，
采用固相合成法合成钛酸锂负极材料时，利用机械力辅助对钛源材料和锂源材料进行研磨处理，得到纯相钛酸锂负极材料。
优选地，还包括如下步骤：
S1、将钛源材料和锂源材料按照计量比混合，获得混合反应物料；
S2、将获得的混合反应物料置入反应区；
S3、对位于反应区的混合反应物料加热、保温和冷却流程的同时，借助于研磨球对混合反应物进行研磨处理，冷却完成后得到纯相钛酸锂负极材料。
优选地，锂源材料包括LiOH·H2O和Li2CO3中的至少一种；
钛源材料包括TiO2和偏钛酸中的至少一种。
优选地，钛源材料和锂源材料中的Li、Ti元素计量比为0.82～0.85:1。
优选地，研磨球的材质为不锈钢和/或氧化锆。
优选地，研磨球与混合反应物料的质量比为8～15:1。
优选地，加热时的升温速率为1～15℃/min。
优选地，保温温度为720～780℃；
保温时间为3.5～5h。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提供的一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料的方法，具有以下有益效果：
高温场为固相反应提供反应动力，同时在机械力作用下，反应期间反应物持续被反复压延，产生强烈的塑性形变，颗粒不断断裂及组织细化，从而在颗粒晶格中产生了大量的缺陷、位错、空位等，从而大大提高了反应物的活性，使原本800℃以上发生的钛酸锂合成反应，在750℃就可以发生，同时反应速度得到明显提高，从而缩短了反应时间。
反应温度的降低以及反应时间的缩短不仅可以起到降低能耗的作用，而且能够减少长时间高温处理导致的锂盐的挥发。
此外，由于高温和球磨同时作用，能够显著抑制颗粒的团聚和二次生长，使产物性能更加稳定。
附图说明
图1为本发明提供的一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料合成方法的实施例中试验装置的结构示意图；
图2为本发明提供的一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料合成方法的实施例中750℃下产物XRD图谱示意图；
图3为本发明提供的一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料合成方法的实施例中750℃下产物SEM图；
图4为本发明提供的一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料合成方法的实施例中750℃下产物充放电20周期放电比容量图。
【附图标记说明】
1：底座；2：温控仪；3：球磨罐；4：研磨球；5：高温炉；6：电机控制器；7：电机。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
本实施例公开了一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料的方法，其采用固相合成法合成钛酸锂负极材料时，利用机械力辅助对钛源材料和锂源材料进行研磨处理，得到纯相钛酸锂负极材料。
通过采用机械力辅助对钛源材料和锂源材料进行研磨处理来合成钛酸锂负极材料不仅减少了工艺流程，而且合成获得的产品品质也得到了很大的提高，此外，还降低了能耗。
这里应说明的是：本实施例中提供的方法在具体实施的过程中采用图1中的装置进行合成钛酸锂负极材料。
对于图1中的装置包括：底座1、温控仪2、球磨罐3、研磨球4、高温炉5、电机控制器6和电机7。
其中，底座用于起固定支撑作用，在底座上分别设置电机7和高温炉5；这里的高温炉用做提供加热的热源，高温炉5内设置球磨罐3，球磨罐3与电机7传动连接；球磨罐3能够借助于电机7在高温炉5内翻滚。
球磨罐3内作为本实施例中的反应区，该反应区内放置有混合反应物料和研磨球4。
最后，应说明的是：这里的高温炉5上还设有温控仪2用以精确控制反应区的温度，保障合成工作的顺利进行。电机7上同时也设有电机控制器6用以控制电机7的转速。
相应地，本实施例中提供的方法还包括如下步骤：
S1、将钛源材料和锂源材料按照计量比混合，获得混合反应物料；
S2、将获得的混合反应物料置入反应区；
这里的反应区是指球磨罐3的内部空间，在将混合反应物料放入反应区时或之前将一定数量的研磨球4放入反应区内。
S3、对位于反应区的混合反应物料加热、保温和冷却流程的同时，借助于研磨球对混合反应物进行研磨处理，冷却完成后得到纯相钛酸锂负极材料。
应说明的是：本实施例中的锂源材料包括LiOH·H2O和Li2CO3中的至少一种。
这里的钛源材料包括TiO2和偏钛酸中的至少一种。
需要注意的是，本实施例中的钛源材料和锂源材料中的Li、Ti元素计量比为0.82～0.85:1。
本实施例中的研磨球的材质为不锈钢和/或氧化锆。
这里的研磨球与混合反应物料的质量比为8～15:1。
在实际应用中加热时的升温速率应保持在1～15℃/min的范围内。
最后应指出的是：这里的保温温度为720～780℃；保温时间为3.5～5h。
实施案例1：将LiOH·H2O与TiO2按照Li：Ti＝0.82:1混合，按照球料比10:1将不锈钢研磨球与物料一起装入球磨罐中，启动球磨电机使研磨球对物料进行搅拌、研磨、破碎，同时运行高温炉，设定升温速度为5℃/min，升温至750℃保温3.5h，待设备自然冷却，将产物取出，得到纯相Li4Ti5O12。
如图2-图4所示，实施例1中的制得的Li4Ti5O12在理化性质检测中的表现十分优秀。
实施案例2：将Li2CO3与TiO2按照Li：Ti＝0.83:1混合，按照球料比 8:1将氧化锆研磨球与物料一起装入球磨罐中，启动球磨电机使研磨球对物料进行搅拌、研磨、破碎，同时运行高温炉，设定升温速度为3℃/min，升温至760℃保温4h，待设备自然冷却，将产物取出，得到纯相Li4Ti5O12。
实施案例3：将Li2CO3与偏钛酸按照Li：Ti＝0.85:1混合，按照球料比15:1将氧化锆研磨球与物料一起装入球磨罐中，启动球磨电机使研磨球对物料进行搅拌、研磨、破碎，同时运行高温炉，设定升温速度为10℃ /min，升温至780℃保温4.5h，待设备自然冷却，将产物取出，得到纯相 Li4Ti5O12。
实施案例4：将LiOH·H2O与偏钛酸按照Li：Ti＝0.84:1混合，按照球料比8:1将氧化锆研磨球与物料一起装入球磨罐中，启动球磨电机使研磨球对物料进行搅拌、研磨、破碎，同时运行高温炉，设定升温速度为3℃ /min，升温至760℃保温3.5h，待设备自然冷却，将产物取出，得到纯相 Li4Ti5O12。
实施案例5：将LiOH·H2O：Li2CO3：TiO2物质的量比按照0.45:0.2:1 混合，按照球料比10:1将氧化锆研磨球与物料一起装入球磨罐中，启动球磨电机使研磨球对物料进行搅拌、研磨、破碎，同时运行高温炉，设定升温速度为4℃/min，升温至750℃保温3.5h，待设备自然冷却，将产物取出，得到纯相Li4Ti5O12。
上述球料比是指研磨球与混合反应物料的质量比。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种机械力辅助固相合成钛酸锂负极材料的方法，其特征在于，
采用固相合成法合成钛酸锂负极材料时，利用机械力辅助对钛源材料和锂源材料进行研磨处理，得到纯相钛酸锂负极材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S1、将钛源材料和锂源材料按照计量比混合，获得混合反应物料；
S2、将获得的混合反应物料置入反应区；
S3、对位于反应区的混合反应物料加热、保温和冷却流程的同时，借助于研磨球对混合反应物进行研磨处理，冷却完成后得到纯相钛酸锂负极材料。
3.根据权利2所述的方法，其特征在于，
锂源材料包括LiOH·H2O和Li2CO3中的至少一种；
钛源材料包括TiO2和偏钛酸中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
钛源材料和锂源材料中的Li、Ti元素计量比为0.82～0.85:1。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，研磨球的材质为不锈钢和/或氧化锆。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
研磨球与混合反应物料的质量比为8～15:1。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
加热时的升温速率为1～15℃/min。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
保温温度为720～780℃；
保温时间为3.5～5h。
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