CN114335514B

CN114335514B - 一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料及其制备方法

Info

Publication number: CN114335514B
Application number: CN202111428766.6A
Authority: CN
Inventors: 焦玉志; 秦军; 阮殿波; 郭呈家; 张超
Original assignee: Taizhou Shanneng Technology Co ltd
Current assignee: Taizhou Shanneng Technology Co ltd
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2023-07-11
Anticipated expiration: 2041-11-29
Also published as: CN114335514A

Abstract

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料及其制备方法。通过凝胶溶胶法结合纳米超细研磨与分散技术以及固相反应技术，先制备出纳米磷酸钛粉体，然后与锂源化合物进行反应得到纳米磷酸钛锂，再结合碳纳米管制备出相互交联的纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料。磷酸钛锂的稳定结构以及碳纳米管导电网络，二者协同作用同时提高复合材料的循环性能及倍率性能。

Description

一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料及其制备方法

【技术领域】

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料及其制备方法。

【背景技术】

石墨碳材料是当前锂离子电池行业应用最为广泛的负极材料，但由于石墨脱嵌锂电位与金属锂接近，当电池过充电时，碳负极表面易析出金属锂，会形成枝晶锂刺穿隔膜而引起短路，温度过高时易引起热失控等安全问题。同时，锂离子在反复地插入和脱嵌过程中，会使碳负极结构受到破坏，从而导致容量的衰减，缩减电池循环寿命。因此，寻找比碳负极嵌锂电位更高，廉价易得、安全可靠和高比容量的负极材料是非常有必要的。

近年来，固态锂离子导体由于其特殊的性能而受到国内外学者的普遍关注，并在高比能量电池、传感器和其他电化学器件中得到了广泛的应用。LiTi₂(PO₄)₃是一种聚阴离子型化合物，属于钠超离子导体材料(NASICON)，理论比容量为138mAh/g。两个TiO₆八面体和三个PO₄四面体通过共用顶点的氧原子连接，形成三维刚性骨架，在一定的温度下，Li⁺能在骨架中两种不同系列的晶格结点间的狭缝中运动，使具有较高的离子电导率，且在脱嵌锂过程中有良好的结构稳定性和电化学稳定性。LiTi₂(PO₄)₃在2.5V时有稳定平坦的放电平台，充放电过程是LiTi₂(PO₄)₃和Li₃Ti₂(PO₄)₃相互转化反应的过程。同时，其原材料来源丰富、价格低廉、环境友好，有望应用于锂离子电池负极材料。

使用传统的高温固相法制备LiTi₂(PO₄)₃，其产物有粒径大小不易控制、分布不均匀、形貌不规则等缺点。而且LiTi₂(PO₄)₃电子电导率不高，材料充放电过程中的极化较大，材料的电化学性能差，需要对LiTi₂(PO₄)₃进行改性，目前主要的改性方法有进行碳包覆、元素掺杂等。合适的碳包覆层可以提高材料的电子电导率，改善材料在高倍率下的容量衰减。

【发明内容】

本发明的主要目的是提供一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料及其制备方法，通过凝胶溶胶法结合纳米超细研磨与分散技术以及固相反应技术制备出相互交联的纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料。

本发明的一个目的在于提供一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)纳米磷酸钛粉体的制备：有机酸以及含钛化合物加入到有机溶剂中，恒温搅拌下加入含磷酸根化合物的水溶液，调节溶液PH，反应静置得磷酸钛凝胶，压滤、干燥、粉碎得纳米磷酸钛粉体；

(2)纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体的制备：碳纳米管加入含有高分子分散剂的水溶液中，分散形成均一的碳纳米管导电浆料，加入纳米磷酸钛粉体及锂源化合物，并加水调整浆料固含量，进行纳米超细研磨及超声分散，得到纳米混合浆料，喷雾干燥得到纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体粉末；

(3)纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备：干燥后的纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体粉末转移至惰性气氛反应炉中，高温固相反应，冷却至室温研磨过筛处理后得到相互交联的的纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料。

本发明先制备出纳米磷酸钛粉体，然后与锂源进行反应得到纳米磷酸钛锂，通过两步合成工艺可以提供更多的锂活性位点，增加材料嵌锂容量，提高其充点电过程中的可逆比容量，此外，该方法制备的磷酸钛锂晶格缺陷较低，晶体结构稳定，循环稳定性能大幅度提升。

进一步地，步骤(1)中的含钛化合物为硫酸氧钛、四氟化钛、四异丙醇钛、硫酸钛、草酸钛钾、四氯化钛、三氯化钛、钛酸四丁酯中的一种或几种，有机酸为柠檬酸、草酸、丙烯酸、酒石酸中的一种或者多种，有机溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、正丁醇中的一种或者多种。

进一步地，步骤(1)中的含钛化合物优选为钛酸四丁酯，有机酸优选为柠檬酸，有机溶剂优选为乙醇。

进一步地，步骤(1)中的含磷酸根化合物为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵中的一种或者多种，优选为磷酸二氢铵。

进一步地，步骤(1)中有机酸与磷酸根摩尔比为0.05～0.5：2.0，优选为0.1～0.3：2.0，含钛化合物中钛与磷酸根摩尔比为1.0：2.0～2.3，优选的为1.0：2.05～2.10。

进一步地，步骤(1)恒温温度为50～90℃，pH控制在3～5，搅拌速度400～800rpm，反应时间为18～36h。

进一步地，步骤(2)中碳纳米管导电浆料中的高分子分散剂为聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙二醇(PPG)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯腈(PAN)、羧甲基纤维素钠(CMC)中的一种或者多种，优选的为PVP。

进一步地，步骤(2)中碳纳米管的类型为多壁碳纳米管或者单壁碳纳米管中的一种或者两种，优选的为多壁碳纳米管，碳纳米管的添加比例为1.0～4.0％，优选的为2.0～3.0％。

进一步地，步骤(2)中的锂源化合物为碳酸锂、氢氧化锂中的一种，优选为碳酸锂。

进一步地，步骤(2)磷酸钛与锂源化合物中锂的摩尔比为2.0：1.0～1.2，含有高分子分散剂的水溶液中高分子分散剂添加量为0.5％～5％，优选的为1～3％，浆料固含量为20～45％，优选的为25～35％。

进一步地，步骤(2)中纳米超细研磨及超声分散的设备为砂磨机，砂磨线速度≥13.0m/s，砂磨时间1～8h，优选的2～6h。

进一步地，步骤(2)中喷雾干燥的喷雾进料口温度为200～240℃，出料口温度80～100℃，球形颗粒中值粒径为3～8μm。

进一步地，步骤(3)中固相反应温度为600～800℃，优选的750～800℃，升温速率3～10℃/min，反应时间为4～20h，优选的8～12h，惰性气体氛围为N₂或者Ar。

本发明具有以下优点：

(1)磷酸钛锂一次颗粒尺寸均匀，粒径不超过300nm，纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料比表面积为1～20m²/g，中值粒径3～8μm；

(2)碳纳米管导电网络的形成，大幅度提升了复合材料整体的导电性能；

(3)磷酸钛锂具有稳定的物理结构，在电化学反应过程中可以保持良好的稳定性，有利于提升电池的循环性能；

(4)复合材料的结晶夹缝以及碳纳米管的特殊通道，有利于锂离子的快速转移，加快离子传输速率，提升材料在大电流密度下的倍率性能；

(5)本发明方法工艺稳定，产品重现性良好，易实现工业化大规模生产。

【附图说明】

图1为纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的截面图；

图2为纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的扫描电镜图。

【具体实施方式】

下面通过具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步描述说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于帮助理解本发明，不用于本发明的具体限制。且本文中所使用的附图，仅仅是为了更好地说明本发明所公开内容，对保护范围并不具有限制作用。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。

实施例1

(1)纳米磷酸钛粉体的制备：57.6g柠檬酸以及680.6g钛酸四丁酯依次加入500mL无水乙醇中并搅拌均匀，471.6g磷酸二氢铵溶解于800mL去离子水，50℃恒温搅拌下，上述磷酸二氢铵溶液快速加入至钛酸四丁酯溶液中，控制pH在4，反应24h后静置陈化得到磷酸钛湿凝胶，随后压滤干燥、粉碎得到纳米磷酸钛粉体；

(2)纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体的制备：20.0gPVP溶解于976mL去离子水，加入3.6g多壁碳纳米管，剪切乳化使其分散成均一的碳纳米管导电浆料。再加入359.8g纳米磷酸钛、14.8g碳酸锂，加水调整浆料固含量为30％，以13m/s线速度砂磨6h，进行喷雾干燥处理，喷雾进料口温度为230℃，出料口温度100℃，控制中值粒径在5μm，得到纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体粉末；

(3)纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备：干燥后的纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体粉末在氮气氛围箱式炉中，750℃下高温处理10h，得到相互交织的纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料。

实施例2

实施例2与实施例1的区别仅在于钛酸四丁酯质量为680.6g，磷酸二氢铵质量为437.1g。

实施例3

实施例3与实施例1的区别仅在于钛酸四丁酯质量为680.6g，磷酸二氢铵质量为552.2g；

实施例4：

实施例4与实施例1的区别仅在于碳纳米管添加量为6.5g。

实施例5

实施例4与实施例1的区别仅在于碳纳米管添加量为1.3g。

对比例1

对比例1与实施例1的区别仅在于未添加碳纳米管制备的磷酸钛锂。

对比例2

对比例2是把对比例1制备的97.5g磷酸钛锂粉末剪切分散于200.0g固含量为1.25％的碳纳米管浆料中，最后进行喷雾干燥处理。

对比例3

对比例3与实施例1的区别在于，步骤(1)中加入碳酸锂14.8g直接制备磷酸钛锂，步骤(2)为97.5g磷酸钛锂粉末剪切分散于200.0g固含量为1.25％的碳纳米管浆料中，喷雾干燥。

图1是实施例1所得纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的截面图，可以看到明显的碳纳米管通道，图2是实施例1所得纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的扫描电镜图，可以清楚看到球形颗粒。

将实施例1-5以及对比例1-3制备的复合材料用于制备CR2430型电池进行电化学性能测试，方法如下：按照质量比复合材料正极活性物质：PVDF：Super P＝90：5：5的比例加入到密封称量瓶中，加入适量N-甲基吡咯烷酮使浆料到达粘稠状态，高速浆料分散机内2000rpm转速下分散5min得到均匀浆料，将浆料涂覆到铝箔上，100℃真空干燥6h，辊压制成极片，负极材料使用锂片，溶剂为EC：DMC：EMC＝1:1:1v/v的1mol LiPF₆作为电解液，聚丙烯纤维作为隔膜，在惰性气氛手套箱中组装纽扣电池。循环性能测试充放电电压范围为1.5～3.5V，标称容量138mAh/g，以1C电流密度循环3圈进行活化，之后循环100圈，倍率性能测试分别以1C、2C、5C、10C、20C分别循环5圈，最后1C循环5圈。实验结果如下表1所示。

表1用实施例1-5以及对比例1-3复合材料制备的电池的电化学性能

从表1中可以看出，实施例1复合材料制备的CR2430型电池在1C电流密度下，纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料电池容量为128.7mAh/g，循环100圈后的容量保持率为97.6％，20C电流密度下电池容量为107.1mAh/g，20C容量保持率为83.2％，表现出良好的循环性能和倍率性能。实施例2为降低磷酸钛锂中磷酸根的比例，最终制得的磷酸钛锂导电性能降低，可逆比容量增加，首效降低，循环及倍率性能降低，实施例3为增加磷酸钛中磷酸根的比例，最后制得的磷酸钛锂导电性能增加，首效增加，循环及倍率性能增加，但可逆比容量降低明显。实施例4为增加碳纳米管的比例，最后制得的磷酸钛锂导电性能增加，首效及可逆比容量降低，循环及倍率性能略有提升。实施例5为降低碳纳米管比例，最后制得的磷酸钛锂导电性能降低，副反应加剧，循环及倍率性能明显变差。对比例1为未添加碳纳米管，由于磷酸钛锂导电性能较差，副反应较多，磷酸钛锂的循环稳定性及倍率性能大幅度降低。对比例2为两步法先制备磷酸钛锂然后与碳纳米管复合，由于仅仅是通过碳纳米管对磷酸钛锂微球包覆，磷酸钛锂内部未形成碳纳米管导电网络，其循环稳定性及倍率性能不及实施例1。对比例3为一步法制备磷酸钛锂，然后与碳纳米管复合，由于该过程制备锂活性位点较低，且分布不均匀，致使磷酸钛锂可逆容量较低，循环稳定性较差、倍率性能差于实施例1。因此，实施例1可证明磷酸钛锂的稳定结构以及碳纳米管导电网络对复合材料的电化学性能有着非常重要的影响，二者协同作用可同时提高复合材料循环性能及倍率性能。

最后应说明的是，本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明，而并非对本发明的实施方式的限定。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具有实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，这里无需也无法对所有的实施方式予以全例。而这些属于本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims

1.一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）纳米磷酸钛粉体的制备：有机酸以及含钛化合物加入到有机溶剂中，恒温搅拌下加入含磷酸根化合物的水溶液，调节溶液pH，反应静置得磷酸钛凝胶，压滤、干燥、粉碎得纳米磷酸钛粉体；

（2）纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体的制备：碳纳米管加入含有高分子分散剂的水溶液中，分散形成均一的碳纳米管导电浆料，加入所得纳米磷酸钛粉体及锂源化合物，并加水调整浆料固含量，进行纳米超细研磨及超声分散，得到纳米混合浆料，喷雾干燥得到纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体粉末；

（3）纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备：干燥后的纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体粉末转移至惰性气氛反应炉中，高温固相反应，冷却至室温研磨过筛处理后得到相互交联的纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料。

2.根据权利要求1所述纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的含钛化合物为硫酸氧钛、四氟化钛、四异丙醇钛、硫酸钛、草酸钛钾、四氯化钛、三氯化钛、钛酸四丁酯中的一种或者几种，有机酸为柠檬酸、草酸、丙烯酸、酒石酸中的一种或者多种，有机溶剂为乙醇、乙二醇、异丙醇、正丁醇中的一种或者多种，含磷酸根化合物为磷酸、磷酸二氢铵、磷酸氢二铵、磷酸铵中的一种或者多种。

3.根据权利要求1所述纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中有机酸与磷酸根摩尔比为0.05~0.5：2.0，含钛化合物与磷酸根摩尔比为1.0：2.0~2.3。

4.根据权利要求1所述纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中恒温温度为50~90℃，pH控制在3~5，搅拌速度为400~800rpm，反应时间为18~36h。

5.根据权利要求1所述纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中高分子分散剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚丙二醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酸、聚丙烯腈、羧甲基纤维素钠中的一种或者多种，碳纳米管为多壁碳纳米管、单壁碳纳米管中的一种或者两种，碳纳米管的添加比例为0.5~4.0%，锂源化合物为碳酸锂、氢氧化锂中的一种。

6.根据权利要求1所述纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中磷酸钛与锂源化合物中锂的摩尔比为2.0：1.0~1.2；含有高分子分散剂的水溶液中，高分子分散剂添加量为0.5~5%；浆料固含量为20~45%。

7.根据权利要求1所述纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中纳米超细研磨及超声分散的设备为砂磨机，砂磨线速度≥13.0m/s，砂磨时间为1~8h，喷雾干燥的喷雾进料口温度为200~240℃，出料口温度为80~100℃，纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体粉末的中值粒径为3~8μm。

8.根据权利要求1所述纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中固相反应温度为600~800℃，升温速率为3~10℃/min，反应时间为4~20h。

9.一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料，其特征在于，由权利要求1-8任一所述的纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备方法制备获得，所述纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料比表面积为1~20m²/g，中值粒径为3~8μm，碳纳米管含量为1.5~4.0%。

10.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池活性材料为权利要求9所述的纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料。