CN115064669A - 一种锶掺杂钛酸锂材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
一种锶掺杂钛酸锂材料及其制备方法和应用，其主要涉及电池材料领域。本发明通过对钛酸锂材料进行锂位掺杂并限定锂源、钛源和锶源的原子摩尔比例，使得部分锂原子点位被锶原子取代，进而使得钛酸锂晶格变大，扩大了锂离子扩散通道，减少了锂离子扩散阻力；本发明通过制备方法的工艺控制，制备出了形貌可控的二维层片结构的钛酸锂材料，增加了负极材料与电解液的接触面积，缩短了锂离子在材料内部的扩散路径，有效提高了材料的比容量，并减轻充放电时锂离子嵌脱造成的结构破坏。另外，本发明提供的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法简单易操作，所得产物形貌结构可控，比容量大，循环和倍率性能好，利于工业化应用，故具有重要的商业推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及电池材料领域，具体而言，涉及一种锶掺杂钛酸锂材料及其制备方法和应用。
背景技术
锂电池因其高能量密度、环保性而倍受关注，尤其在纯电动汽车或混合动力汽车应用方面。负极是锂电池的重要组成部分，一直以来主要以碳做为负极材料。但由于碳材料在充放电过程中容易形成固体电解质相界面膜(SEI)，导致其较差的循环性能，倍率性能，限制了其未来发展，故而寻找碳负极的替代材料也成了锂电池研究一个重要部分。
进一步地，由于具有1.55V的工作电压平台、高于电解质的还原电压、可有效阻止负极材料表面SEI膜的生成，以及拥有突出的晶体结构稳定性，尖晶石结构的钛酸锂(Li4Ti5O12，简记为LTO)被认为最有潜力的碳材料接任者。需要说明的是，LTO材料在锂离子从晶格中嵌入和脱嵌的过程中可保持极小的体积变化，也被称为“零应变”材料。然而，LTO材料也存在一些缺点，例如其较低的本征电导率及锂离子传导率，使得其无法满足目前电池产品对大容量、大倍率及长循环的应用要求，故而因为实用性不高已经严重影响了它的应用进程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锶掺杂钛酸锂材料，其具备形貌结构可控，比容量大，循环和倍率性能好等优点。
本发明的另一目的在于提供一种锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其制备工艺简单，利于工业化应用；其能够制备出具有上述优点的锶掺杂钛酸锂材料。
本发明的另一目的在于提供一种锶掺杂钛酸锂材料的应用，其被配置为负极材料，可增加负极材料与电解液的接触面积，缩短锂离子在材料内部的扩散路径，有效提高材料的比容量并减轻充放电时锂离子嵌脱造成的结构破坏。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。
本发明提出一种锶掺杂钛酸锂材料，所述锶掺杂钛酸锂材料的组分包括锂源、钛源和锶源；
所述锂源、所述钛源和所述锶源的原子摩尔比为3.90～3.999：5：0.001～0.1。
进一步地，在本发明较佳实施例中，优选地，所述锂源、所述钛源和所述锶源的原子摩尔比为3.95～3.99：5：0.01～0.05。
进一步地，在本发明较佳实施例中，可选地，所述锂源包括氢氧化锂、碳酸锂、乙酸锂以及硝酸锂中的任意一种或任意几种。
进一步地，在本发明较佳实施例中，可选地，所述钛源包括钛酸四丁酯、二氧化钛以及偏钛酸中的任意一种或任意几种。
进一步地，在本发明较佳实施例中，可选地，所述锶源包括乙酸锶、硝酸锶以及醋酸锶中的任意一种或任意几种。
本发明还提出一种如上述的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其包括以下步骤：
将所述锂源、所述锶源和所述钛源加入到第一溶剂中，持续搅拌3～5小时至溶解完全，得到第一溶液，其中，所述溶解的温度为20～30℃；
在所述第一溶液中加入第二溶剂，继续搅拌10～60分钟，得到第二溶液；
将所述第二溶液转移到压力容器中，在160～200℃温度内保温18～36小时，冷却后过滤，得到白色沉淀物；
将所述白色沉淀物用乙醇冲洗2～5次后，在70～90℃下通风干燥3～6小时，得到干燥物；
将所述干燥物进行煅烧后，再进行冷却和研磨；其中，所述煅烧过程中的煅烧温度为500～800℃，煅烧时间为5～8小时。
进一步地，在本发明较佳实施例中，所述锂源、所述锶源和所述钛源的原子摩尔比为3.90～3.999：0.001～0.1：5。
进一步地，在本发明较佳实施例中，优选地，所述锂源、所述锶源和所述钛源的原子摩尔比为3.95～3.99：0.01～0.05：5。
进一步地，在本发明较佳实施例中，优选地，所述第一溶剂为乙醇，所述第二溶剂为去离子水。
本发明还提出一种上述的锶掺杂钛酸锂材料的应用，其包括：将所述锶掺杂钛酸锂材料配置为一种负极材料。
本发明实施例提供的锶掺杂钛酸锂材料及其制备方法和应用的有益效果是：本发明实施例通过对钛酸锂材料进行锂位掺杂并限定锂源、钛源和锶源的原子摩尔比例，使得部分锂原子点位会被锶原子取代，进而使得钛酸锂晶格变大，扩大锂离子扩散通道，减少锂离子扩散阻力；与此同时，配合本发明实施例制备方法的工艺控制，可制备形貌为二维层片结构的钛酸锂材料，增加了负极材料与电解液的接触面积，缩短了锂离子在材料内部的扩散路径，有效提高了材料比容量并减轻充放电时锂离子嵌脱造成的结构破坏。另外，还需要说明的是，本发明实施例的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法简单易操作，所得产物形貌结构可控，比容量大，循环和倍率性能好，利于工业化应用，故具有重要的商业推广价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1～3和对比例的XRD图谱；
图2为本发明实施例1与对比例1的XPS图谱；
图3为对比例1(a)和本发明实施例1(b)的SEM图片；
图4为本发明实施例1的TEM(a)和HRTEM(b)图片；
图5为本发明实施例1～3与对比例的首次充放电曲线；
图6为本发明实施例1与对比例的循环性能(1C倍率)；
图7为本发明实施例1与对比例的循环性能(10C倍率)；
图8为本发明实施例1～3与对比例的倍率性能曲线；
图9为对比例(a)与本发明实施例1(b)在1C倍率下200次循环后负极的SEM图片。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的锶掺杂钛酸锂材料及其制备方法和应用进行具体说明。
本发明实施例提供的锶掺杂钛酸锂材料，其具备形貌结构可控，比容量大，循环和倍率性能好等优点。本发明实施例提供的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，不但能够制备出具有上述优点的锶掺杂钛酸锂材料，而且其制备工艺简单，利于工业化应用；本发明实施例提供的锶掺杂钛酸锂材料的应用，其被配置为负极材料时，可增加负极材料与电解液的接触面积，缩短锂离子在材料内部的扩散路径，有效提高材料的比容量并减轻充放电时锂离子嵌脱造成的结构破坏。
具体地，本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现。
本发明实施例提出一种锶掺杂钛酸锂材料，该锶掺杂钛酸锂材料的组分包括锂源、钛源和锶源。需要说明的是，锶掺杂钛酸锂材料的组分中锂源、钛源和锶源的原子摩尔比为3.90～3.999：5：0.001～0.1。优选地，锂源、钛源和锶源的原子摩尔比为3.95～3.99：5：0.01～0.05。需要强调的是，本发明实施例通过对钛酸锂材料进行锂位掺杂并限定锂源、钛源和锶源的原子摩尔比例，使得部分锂原子点位会被锶原子取代，进而使得钛酸锂晶格变大，扩大锂离子扩散通道，减少了锂离子扩散阻力，从而最终使得锶掺杂钛酸锂材料具备比容量大，循环和倍率性能好的优点。
进一步地，在本发明较佳实施例中，可选地，锂源选自氢氧化锂、碳酸锂、乙酸锂以及硝酸锂中的任意一种或任意几种。需要说明的是，在本发明其它实施例当中，并不仅限于本发明实施例列举的锂源，其还可以是其它锂源所对应的锂盐或锂的氧化物。
进一步地，在本发明较佳实施例中，可选地，钛源选自钛酸四丁酯、二氧化钛以及偏钛酸中的任意一种或任意几种。需要说明的是，在本发明其它实施例当中，并不仅限于本发明实施例列举的钛源，其还可以是其它钛源所对应的钛盐或钛的氧化物。
进一步地，在本发明较佳实施例中，可选地，锶源选自乙酸锶、硝酸锶以及醋酸锶中的任意一种或任意几种。需要说明的是，在本发明其它实施例当中，并不仅限于本发明实施例列举的锶源，其还可以是其它锶源所对应的锶盐或锶的氧化物。
本发明实施例还提出一种如上述的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其包括以下步骤：
S1、将上述锂源、锶源和钛源加入到第一溶剂中，持续搅拌3～5小时至溶解完全，得到第一溶液，其中，溶解的温度为20～30℃；锂源、锶源和钛源的原子摩尔比为3.90～3.999：0.001～0.1：5。优选地，所述锂源、所述锶源和所述钛源的原子摩尔比为3.95～3.99：0.01～0.05：5。优选地，第一溶剂为乙醇，当然在其它实施例当中，并不一定限定第一溶剂为乙醇，其还可以是其它溶剂，如丙酮。
S2、在第一溶液中加入第二溶剂，继续搅拌10～60分钟，得到第二溶液。其中，第二溶剂优选地为去离子水。需要说明的是，在其它实施例当中，并不限定第二溶剂一定为去离子水，其还可以是其它溶剂，如乙醇。
S3、将第二溶液转移到压力容器中，在160～200℃温度内保温18～36小时，冷却后过滤，得到白色沉淀物。
S4、将白色沉淀物用乙醇冲洗2～5次后，在70～90℃下通风干燥3～6小时，得到干燥物。
S5、将干燥物进行煅烧后，再进行冷却和研磨。需要说明的是，其中，煅烧过程中的煅烧温度为500～800℃，煅烧时间为5～8小时。需要强调的是，之所以对煅烧过程中的温度和时间进行限定，是因为其上述合理的煅烧温度和时间，可以保证反应过程中产物形貌与晶体长大变得更加可控，从而获得预期性能特征的锶掺杂钛酸锂材料。
本发明实施例还提供一种上述锶掺杂钛酸锂材料的应用，具体地是将上述锶掺杂钛酸锂材料配置为一种负极材料。需要说明的是，上述锶掺杂钛酸锂材料被配置为负极材料，可增加负极材料与电解液的接触面积，缩短锂离子在材料内部的扩散路径，有效提高材料的比容量并减轻充放电时锂离子嵌脱造成的结构破坏，故具有良好的商业应用前景。需要强调的是，在本发明其它实施例中，并不仅限于本发明实施例所提供的上述一种锶掺杂钛酸锂材料的应用，其还可以被应用作为具有能量转换或转移的其它功能材料。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供一种锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其包括以下步骤：
将氢氧化锂、乙酸锶和钛酸四丁酯按照锂源、锶源和钛源的原子摩尔比3.975：0.025：5的比例称取，进而首先将氢氧化锂和乙酸锶溶入到乙醇溶液中，然后再将钛酸四丁酯加入前述溶液，持续搅拌5小时；加入适量的去离子水，再搅拌5分钟，然后转移到反应釜中，180℃下保持24小时；然后过滤冲洗3次后，将得到的白色沉淀物在80℃下干燥5小时，得到干燥物；最后在650℃下对干燥物煅烧6小时(可在马弗炉中进行煅烧)，冷却后研磨即可。
本实施例还提供一种锶掺杂钛酸锂材料，其是本实施例提供的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法制备所得，其对应的化学式为Li3.975Sr0.025Ti5O12，可标记为25-Sr。
本实施例还提供一种锶掺杂钛酸锂材料的应用，具体地是将本实施例提供的锶掺杂钛酸锂材料配置为一种电池用负极材料。
实施例2
本实施例提供一种锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其包括以下步骤：
将氢氧化锂、乙酸锶和钛酸四丁酯按照锂源、锶源和钛源的原子摩尔比3.95：0.05：5的比例称取，进而首先将氢氧化锂和乙酸锶溶入到乙醇溶液中，然后再将钛酸四丁酯加入前述溶液，持续搅拌4小时；加入适量的去离子水，再搅拌15分钟，然后转移到反应釜中，180℃下保持18小时；然后过滤冲洗3次后，将得到的白色沉淀物在80℃下干燥5小时，得到干燥物；最后在650℃下对干燥物煅烧6.5小时(可在马弗炉中进行煅烧)，冷却后研磨即可。
本实施例还提供一种锶掺杂钛酸锂材料，其是本实施例提供的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法制备所得，其对应的化学式为Li3.95Sr0.05Ti5O12，可标记为50-Sr。
本实施例还提供一种锶掺杂钛酸锂材料的应用，具体地是将本实施例提供的锶掺杂钛酸锂材料配置为一种电池用负极材料。
实施例3
本实施例提供一种锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其包括以下步骤：
将氢氧化锂、乙酸锶和钛酸四丁酯按照锂源、锶源和钛源的原子摩尔比3.925：0.075：5的比例称取，进而首先将氢氧化锂和乙酸锶溶入到乙醇溶液中，然后再将钛酸四丁酯加入前述溶液，持续搅拌5小时；加入适量的去离子水，再搅拌10分钟，然后转移到反应釜中，170℃下保持28小时；然后过滤冲洗3次后，将得到的白色沉淀物在80℃下干燥5小时，得到干燥物；最后在700℃下对干燥物煅烧5小时(可在马弗炉中进行煅烧)，冷却后研磨即可。
本实施例还提供一种锶掺杂钛酸锂材料，其是本实施例提供的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法制备所得，其对应的化学式为Li3.925Sr0.075Ti5O12，可标记为75-Sr。
实施例4
本实施例提供一种锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其与实施例1所提供的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法大致相同，不同之处在于，锂源和锶源的原子摩尔比例不同，本实施例中锂源和锶源的原子摩尔比例为3.999：0.01。
实施例5
本实施例提供一种锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其与实施例1所提供的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法大致相同，不同之处在于，锂源和锶源的原子摩尔比例不同，本实施例中锂源和锶源的原子摩尔比例为3.99：0.02。
实施例6
本实施例提供一种锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其与实施例1所提供的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法大致相同，不同之处在于，锂源和锶源的原子摩尔比例不同，本实施例中锂源和锶源的原子摩尔比例为3.9：0.001。
对比例
本对比例提供一种钛酸锂材料，其制备方法的工艺与实施例1大致相同，其化学式为Li4Ti5O12，可标记为LTO。
试验例
为了对本发明实施例中的锶掺杂钛酸锂材料及其制备方法和应用的有益效果进行验证和佐证，本试验例选用实施例1-3的锶掺杂钛酸锂材料以及对比例的钛酸锂材料作为试验样品进行表征测试分析。表征分析思路为：对试验样品进行XRD和SEM分析，测定试验样品为活性材料时制备的扣式电池的循环性能，倍率性能；对循环后的负极片进行SEM分析，观察实施例与对比例的结构稳定性。
具体地，图1为实施例和对比例的XRD图谱，从图1可以看出，在锶掺杂量高于0.05mol时，会有部分锶不能完全进入LTO的晶格，生成了Li2SrTi6O14的杂相。图2为实施例1和对比例的XPS图谱，从该XPS图谱分析可知，在实施例1的25-Sr样品中，存在锶元素的特征峰。
进一步地，图3为对比例(a)和实施例1(b)的SEM图片，图3说明通过工艺调控，可以制定钛酸锂的形貌为层片结构，锶元素的加入，对层片结构的减薄有帮助，这利于提高锶掺杂钛酸锂的比容量。图4为实施例1的TEM(a)和HRTEM(b)图片，从图4可以看出，25-Sr样品的层片很薄，层叠结构明显。
进一步地，图5是实施例与对比例在0.5C倍率下的首充曲线，说明了锶掺入量为0.025mol时，锶掺杂钛酸锂有高达215mAh/g的比容量；同时也说明，Li2SrTi6O14杂相的存在，会对材料的比容量造成损失。
进一步地，图6和图7为实施例1与对比例分别在1C和10C倍率下的循环曲线。结合图6和图7可以看出，在1C倍率下循环200次，实施例1中的25-Sr容量为174mAh/g，保持率为90％以上，而对比例中纯的LTO容量为122mAh/g，保持率仅为77.9％；在10倍率下循环200次，25-Sr仍能保持147mAh/g的容量，保持率为92.3％，而纯LTO只有117mAh/g的容量，保持率也仅为78.9％。
进一步地，图8是3个实施例和对比例的倍率性能，进一步说明了Li2SrTi6O14杂相的存在会极大的损害材料的倍率性能。图9展示了200次循环充放电后，实施例1和对比例被配置为负极材料时的形貌变化，从图9可以看出，LTO结构已经开始崩塌，而25-Sr仍保持完整，说明了适量的锶掺杂可以有效保护材料结构在循环充放电过程中的完整性，提高材料的循环稳定性。
综上所述，本发明实施例通过对钛酸锂材料进行锂位掺杂并限定锂源、钛源和锶源的原子摩尔比例，使得部分锂原子点位会被锶原子取代，进而使得钛酸锂晶格变大，扩大锂离子扩散通道，减少锂离子扩散阻力；与此同时，配合本发明实施例中制备方法的工艺控制，可制备形貌为二维层片结构的钛酸锂材料，增加了负极材料与电解液的接触面积，缩短了锂离子在材料内部的扩散路径，有效提高材料的比容量并减轻充放电时锂离子嵌脱造成的结构破坏。另外，本发明实施例的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法简单易操作，所得产物(锶掺杂钛酸锂材料)形貌结构可控，比容量大，循环和倍率性能好，利于工业化应用，故具有重要的商业推广价值。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种锶掺杂钛酸锂材料，其特征在于，所述锶掺杂钛酸锂材料的组分包括锂源、钛源和锶源；
所述锂源、所述钛源和所述锶源的原子摩尔比为3.90～3.999：5：0.001～0.1。
2.根据权利要求1所述的锶掺杂钛酸锂材料，其特征在于，所述锂源、所述钛源和所述锶源的原子摩尔比为3.95～3.99：5：0.01～0.05。
3.根据权利要求1或2所述的锶掺杂钛酸锂材料，其特征在于，所述锂源包括氢氧化锂、碳酸锂、乙酸锂以及硝酸锂中的任意一种或任意几种。
4.根据权利要求3所述的锶掺杂钛酸锂材料，其特征在于，所述钛源包括钛酸四丁酯、二氧化钛以及偏钛酸中的任意一种或任意几种。
5.根据权利要求4所述的锶掺杂钛酸锂材料，其特征在于，所述锶源包括乙酸锶、硝酸锶以及醋酸锶中的任意一种或任意几种。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
将所述锂源、所述锶源和所述钛源加入到第一溶剂中，持续搅拌3～5小时至溶解完全，得到第一溶液，其中，所述溶解的温度为20～30℃；
在所述第一溶液中加入第二溶剂，继续搅拌10～60分钟，得到第二溶液；
将所述第二溶液转移到压力容器中，在160～200℃温度内保温18～36小时，冷却后过滤，得到白色沉淀物；
将所述白色沉淀物用乙醇冲洗2～5次后，在70～90℃下通风干燥3～6小时，得到干燥物；
将所述干燥物进行煅烧后，再进行冷却和研磨；其中，所述煅烧过程中的煅烧温度为500～800℃，煅烧时间为5～8小时。
7.根据权利要求6所述的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述锂源、所述锶源和所述钛源的原子摩尔比为3.90～3.999：0.001～0.1：5。
8.根据权利要求7所述的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述锂源、所述锶源和所述钛源的原子摩尔比为3.95～3.99：0.01～0.05：5。
9.根据权利要求6所述的锶掺杂钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，所述第一溶剂为乙醇，所述第二溶剂为去离子水。
10.一种权利要求1-5任意一项所述的锶掺杂钛酸锂材料的应用，其特征在于，将所述锶掺杂钛酸锂材料配置为一种负极材料。
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Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102120610A (zh) * | 2011-01-24 | 2011-07-13 | 中国科学院化学研究所 | 锂离子电池负极材料及其制备方法与应用 |
| US20120258368A1 (en) * | 2011-04-05 | 2012-10-11 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Negative electrode active material, method for preparing the same and lithium secondary battery including negative electrode active material |
| WO2013099279A1 (ja) * | 2011-12-28 | 2013-07-04 | パナソニック株式会社 | 非水電解質二次電池用負極および非水電解質二次電池用負極を有する非水電解質二次電池 |
| CN104852028A (zh) * | 2015-04-08 | 2015-08-19 | 合肥工业大学 | 一种锂离子电池用钛酸锂/石墨烯复合负极材料 |
| CN106532011A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-03-22 | 山东精工电子科技有限公司 | 一种新型钛酸锂材料的制备方法 |
| CN106816588A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-06-09 | 上海交通大学 | 一种在纳米钛酸锂表面富集锶元素的制备方法 |
| CN109264773A (zh) * | 2018-08-17 | 2019-01-25 | 山东科技大学 | 一种提高1.55v钛酸锂电池容量的水热反应法 |
-
2022
- 2022-06-10 CN CN202210654511.XA patent/CN115064669A/zh active Pending
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102120610A (zh) * | 2011-01-24 | 2011-07-13 | 中国科学院化学研究所 | 锂离子电池负极材料及其制备方法与应用 |
| US20120258368A1 (en) * | 2011-04-05 | 2012-10-11 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Negative electrode active material, method for preparing the same and lithium secondary battery including negative electrode active material |
| WO2013099279A1 (ja) * | 2011-12-28 | 2013-07-04 | パナソニック株式会社 | 非水電解質二次電池用負極および非水電解質二次電池用負極を有する非水電解質二次電池 |
| CN104852028A (zh) * | 2015-04-08 | 2015-08-19 | 合肥工业大学 | 一种锂离子电池用钛酸锂/石墨烯复合负极材料 |
| CN106816588A (zh) * | 2016-12-21 | 2017-06-09 | 上海交通大学 | 一种在纳米钛酸锂表面富集锶元素的制备方法 |
| CN106532011A (zh) * | 2016-12-22 | 2017-03-22 | 山东精工电子科技有限公司 | 一种新型钛酸锂材料的制备方法 |
| CN109264773A (zh) * | 2018-08-17 | 2019-01-25 | 山东科技大学 | 一种提高1.55v钛酸锂电池容量的水热反应法 |
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