RU2538254C1 - Способ получения наноразмерных порошков композита на основе титаната лития - Google Patents

Способ получения наноразмерных порошков композита на основе титаната лития Download PDF

Info

Publication number
RU2538254C1
RU2538254C1 RU2013132881/05A RU2013132881A RU2538254C1 RU 2538254 C1 RU2538254 C1 RU 2538254C1 RU 2013132881/05 A RU2013132881/05 A RU 2013132881/05A RU 2013132881 A RU2013132881 A RU 2013132881A RU 2538254 C1 RU2538254 C1 RU 2538254C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
mixture
lithium titanate
starch
hours
discharge capacity
Prior art date
Application number
RU2013132881/05A
Other languages
English (en)
Inventor
Хожбауди Хамзатович Альвиев
Екатерина Григорьевна Горячева
Ахмедали Амиралы оглы Гасанов
Юрий Николаевич Пархоменко
Владимир Андреевич Солдатенко
Original Assignee
Хожбауди Хамзатович Альвиев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Хожбауди Хамзатович Альвиев filed Critical Хожбауди Хамзатович Альвиев
Priority to RU2013132881/05A priority Critical patent/RU2538254C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2538254C1 publication Critical patent/RU2538254C1/ru

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Abstract

Изобретение относится к получению материала для электронной промышленности, в частности, для литий-ионных аккумуляторов. Способ получения нанопорошков композита на основе титаната лития Li4Ti5O12/C включает смешивание диоксида титана, карбоната лития и крахмала и термическую обработку полученной смеси до получения материала с 100% структурой шпинели. Карбонат лития берут в 10÷15 мас.% избытке от стехиометрически необходимого для получения соединения Li4Ti5O12. Крахмал вводят в смесь в количестве 10÷20 мас.% от массы смеси. Термическую обработку смеси проводят при температуре 850°C в течение 10-15 часов. Изобретение позволяет снизить длительность процесса синтеза нанопорошка композита Li4Ti5O12/C с получением материала с размером зерна 60-70 нм и высокими значениями разрядной емкости 160-170 мАч/г. 1 табл., 1 пр.

Description

Изобретение относится к технологиям получения материалов для электронной промышленности, в частности титаната лития Li4Ti5O12 для литий-ионных аккумуляторов нового поколения, которые являются автономными источниками энергии и применяются практически во всех электронных портативных устройствах и приборах, а также в электромобилях и военной технике.
Наноразмерный титанат лития Li4Ti5O12 применяется в силовых высокоэнергетических батареях, работающих в интенсивном режиме заряд-разряд, его можно использовать также в производстве суперконденсаторов и гибридных аккумуляторов-конденсаторов.
Для повышения разрядной емкости формируется композит на основе титаната лития с углеродом, медью, серебром.
Технической задачей изобретения является создание технологии получения материала на основе титаната лития с улучшенными эксплуатационными характеристиками и снижение энергозатрат на его производство
Одним из способов синтеза Li4Ti5O12 является твердофазный метод, когда компоненты соединения: диоксид титана (TiO2) и соли лития смешивают в стехиометрическом соотношении, смесь подвергают термообработке с целью получения продукта со структурой шпинели. Такой метод характеризуется небольшим количеством операций и относительной экологической чистотой. Время и температура термообработки являются важными факторами процесса синтеза материала.
Важнейшими свойствами материала являются его разрядная емкость и потери емкости при циклировании.
Известен способ твердофазного синтеза титаната лития Li4Ti5O12 смешением в стехиометрическом соотношении TiO2 и Li2CO3 с последующей термообработкой смеси при 800°C в течение 36 часов, из них в течение 12 часов в атмосфере водорода и аргона. Разрядная емкость материала составила ~80 мАч/г (Journal of Power Sources. 2006, V.154, P.287-289).
Недостатком способа является низкая разрядная емкость материала и сложность процесса получения соединения, заключающаяся в применении водорода и аргона при термообработке, и длительность процесса.
Известен способ получения титаната лития из смеси TiO2 и Li2CO3 при мольном соотношении Ti/Li, равном 2,27. Исходные компоненты смешивают в ацетоне или воде с добавлением полимеров, прокаливают при 850°C как на воздухе, так и в атмосфере азота в течение 36 часов с образованием продукта со структурой шпинели. Полученный продукт имеет разрядную емкость 110-150 мАч/г (Journal of Power Sources. 126 (2004), P.163-169).
Недостатком данного способа является невысокая разрядная емкость материала, необходимость введения азота при термообработке и длительность процесса.
Известен способ получения титаната лития, в котором TiO2 (анатаз) и Li2CO3, взятые в стехиометрическом соотношении, смешивают в среде: алькоголь-вода-сахар, полученную смесь сушат и подвергают термообработке в течение 36 часов, из них в течение 12 часов при 750°C и 24 часа при 850°C с получением композита Li4Ti5O12/C, разрядная емкость которого составила 160 мАч/г при хорошей циклируемости (Journal of Power Sources. 174 (2007), P.1109-1112). Способ принят за прототип.
К недостаткам данного способа относятся длительность процесса синтеза и проведение дополнительной операции - сушки перед термообработкой.
Техническим результатом изобретения является сокращение длительности процесса синтеза наноразмерного порошка композита Li4Ti5O12/C со 100-процентной структурой шпинели и в связи с этим сокращение энергозатрат.
Технический результат достигается тем, что в способе получения нанопорошков композита на основе титаната лития, включающем смешивание диоксида титана, карбоната лития и органического веществоа, содержащего углерод, и термическую обработку смеси при температуре 850°C до получения материала с 100% структурой шпинели, согласно изобретению карбонат лития берут в 10÷15% масс. избытке от стехиометрически необходимого для получения соединения Li4Ti5O12, в качестве вещества, содержащего углерод, используют крахмал, который вводят в смесь в количестве 10÷20% масс. от массы смеси, термообработку смеси проводят в течение 10-15 часов.
Сущность изобретения заключается в том, что заявленная совокупность признаков: избыток карбоната лития от стехиометрически необходимого, количество источника углерода, в качестве которого используют крахмал, и термообработка смеси при 850°C в течение 10-15 часов обеспечивает получение порошков композита на основе титаната лития с 100% структурой шпинели с высокими значениями разрядной емкости: 160-170 мАч/г. При этом значительно сокращаются энергозатраты, т.к. синтез материала осуществляют при температуре 850°C в течение 10-15 часов, а не 36 часов, как в прототипе и в известных способах.
При введении в исходную смесь карбоната лития менее 10% масс, избытка от стехиометрически необходимого количества увеличивается время термообработки материала до 40 часов для получения 100% структуры шпинели.
Введение смеси карбоната лития в исходную смесь в избытке от стехиометрически необходимого количества более 15% масс, приводит к образованию соединения Li2TiO, которое не имеет структуру шпинели, и, следовательно, необходимых эксплуатационных свойств материала.
Введение в исходную смесь крахмала в количестве более 20% масс. нецелесообразно, так как при температуре 850°C идет интенсивно реакция разложения крахмала с выделением газов, что приводит к уносу материала из прокалочного тигля и к потерям конечного продукта. При уменьшении количества крахмала в смеси менее 10% масс. снижается разрядная емкость получаемого композитного материала.
Термическая обработка исходной смеси компонентов менее 10 часов не обеспечивает получения материала необходимого качества. Термическая обработка исходной смеси компонентов более 15 часов нецелесообразна, так как приводит к повышению энергозатрат, не изменяя эксплуатационных характеристик материала.
Пример осуществления способа.
Для получения исходной смеси берут порошки: TiO2 (анатаз) - 24 г; Li2CО3 - 9,2 г, крахмал - 6,0 г. Смесь перемешивают в электросмесителе в течение (30 минут и подвергают термической обработке при температуре 850°C в течение 15 часов. Далее исследуют структуру полученного материала рентгенофазовым анализом (РФА) и определяют полноту перехода материала в соединение Li4Ti5O12 со структурой шпинели. Получили порошок материала с размером зерна 60-70 нм по электронно-микроскопическому анализу. Полученный композит Li4Ti5O12/C имеет разрядную емкость, близкую к теоретическому значению - 160 мАч/г. Потеря емкости при циклировании близка к нулю.
Результаты осуществления способа, полученные при различных параметрах, представлены в таблице.
N п/п Избыток Li2CO3 Содержание крахмала в смеси Время термообработки смеси Примечание
1 0 0 40 Разрядная емкость =90 мАч/г
2 10 0 24 Разрядная емкость =100 мАч/г
3 12 0 24 Разрядная емкость =100 мАч/г
4 15 0 24 Разрядная емкость =100 мАч/г
5 20 0 40 Образование Li2TiO
6 14 5 30 Разрядная емкость =110 мАч/г
7 14 10 10 Разрядная емкость =160 мАч/г
8 15 20 15 Разрядная емкость =170 мАч/г
9 15 25 15 Разложение крахмала и потери материала с газовыделением
Таким образом, заявленное изобретение позволяет получить наноразмерный порошок композита Li4Ti5O12/C с высокими эксплуатационными характеристиками, снизить энергоемкость процесса за счет уменьшения времени термообработки, упростить технологическую схему и экологичность процесса.

Claims (1)

  1. Способ получения нанопорошков композита на основе титаната лития Li4Ti5O12/C, включающий смешивание диоксида титана, карбоната лития и органического вещества, содержащего углерод, и термическую обработку полученной смеси при температуре 850°C до получения материала с 100% структурой шпинели, отличающийся тем, что согласно изобретению карбонат лития берут в 10÷15 мас.% избытке от стехиометрически необходимого для получения соединения Li4Ti5O12, а в качестве вещества, содержащего углерод, используют крахмал, который вводят в смесь в количестве 10÷20 мас.% от массы смеси, термическую обработку смеси проводят в течение 10-15 часов.
RU2013132881/05A 2013-07-17 2013-07-17 Способ получения наноразмерных порошков композита на основе титаната лития RU2538254C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013132881/05A RU2538254C1 (ru) 2013-07-17 2013-07-17 Способ получения наноразмерных порошков композита на основе титаната лития

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013132881/05A RU2538254C1 (ru) 2013-07-17 2013-07-17 Способ получения наноразмерных порошков композита на основе титаната лития

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2538254C1 true RU2538254C1 (ru) 2015-01-10

Family

ID=53288029

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013132881/05A RU2538254C1 (ru) 2013-07-17 2013-07-17 Способ получения наноразмерных порошков композита на основе титаната лития

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2538254C1 (ru)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070298321A1 (en) * 2006-06-26 2007-12-27 Commissariat A L'energie Atomique Aqueous dispersion with a starch and lithium and titanium mixed oxide base for a lithium storage battery electrode
US20110223491A1 (en) * 2008-12-24 2011-09-15 BYD Co. Ltd Lithium titanate composite material, preparation method thereof, negative active substance and lithium ion secondary battery containing the same
EP2436650A1 (en) * 2009-05-26 2012-04-04 Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd. Lithium titanate, process for production of same, and electrode active material and electricity storage device each comprising same
RU2010150909A (ru) * 2008-05-14 2012-06-20 Энердел, Инк. (Us) Титанат лития и способ его изготовления
EP2518803A1 (en) * 2009-12-22 2012-10-31 Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd. Lithium titanate, manufacturing method therefor, slurry used in said manufacturing method, electrode active material containing said lithium titanate, and lithium secondary battery using said electrode active material
US20120328950A1 (en) * 2009-10-15 2012-12-27 Sud-Chemie Ag Process for the preparation of finely dispersed lithium titanium spinels and their use

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070298321A1 (en) * 2006-06-26 2007-12-27 Commissariat A L'energie Atomique Aqueous dispersion with a starch and lithium and titanium mixed oxide base for a lithium storage battery electrode
RU2010150909A (ru) * 2008-05-14 2012-06-20 Энердел, Инк. (Us) Титанат лития и способ его изготовления
US20110223491A1 (en) * 2008-12-24 2011-09-15 BYD Co. Ltd Lithium titanate composite material, preparation method thereof, negative active substance and lithium ion secondary battery containing the same
EP2436650A1 (en) * 2009-05-26 2012-04-04 Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd. Lithium titanate, process for production of same, and electrode active material and electricity storage device each comprising same
US20120328950A1 (en) * 2009-10-15 2012-12-27 Sud-Chemie Ag Process for the preparation of finely dispersed lithium titanium spinels and their use
EP2518803A1 (en) * 2009-12-22 2012-10-31 Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd. Lithium titanate, manufacturing method therefor, slurry used in said manufacturing method, electrode active material containing said lithium titanate, and lithium secondary battery using said electrode active material

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WANG G.J. et al., Preparation and characteristic of carbon-coated Li4Ti5O12 anode material, Journal of Power Sources, 2007, v. 174, p.1109-1112, Abstract, p. 1109, col. 2, line 8-14:. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kalyani et al. A new solution combustion route to synthesize LiCoO2 and LiMn2O4
CN106340627B (zh) 一种钠离子电池正极材料的制备方法
Yan et al. Ball milling-assisted sol–gel route to Li4Ti5O12 and its electrochemical properties
CN1531122A (zh) 用于非水电解质二次电池正极的活性材料
JP7082760B2 (ja) リチウムイオン二次電池用正極活物質、及びその製造方法、並びにリチウムイオン二次電池
KR20150056542A (ko) 스피넬 재료의 제조
KR20170078791A (ko) 스피넬 재료의 제조
Chen et al. Facile hydrothermal synthesis and electrochemical properties of orthorhombic LiMnO 2 cathode materials for rechargeable lithium batteries
KR20200022454A (ko) 리튬 이온 배터리용 캐소드 활성 물질의 제조 방법
Kebede et al. Solution-combustion synthesized aluminium-doped spinel (LiAl x Mn 2− x O 4) as a high-performance lithium-ion battery cathode material
Yang et al. Synthesis of lithium-rich Li x Mn 2 O 4 spinels by lithiation and heat-treatment of defective spinels
Lin et al. Crystallization mechanism of LiNiO2 synthesized by Pechini method
Lee et al. Local structure transformation of nano-sized Al-doped LiMn2O4 sintered at different temperatures
RU2538254C1 (ru) Способ получения наноразмерных порошков композита на основе титаната лития
Jayamkondan et al. Integrated Ni and Li‐Rich Layered Oxide Cathode Materials for High Voltage Cycling in Rechargeable Li‐Ion Batteries
Thirunakaran et al. Zinc and aluminium: glutamic acid assisted dual-doped LiMn 2 O 4 spinels via sol–gel method as cathode material for use in lithium rechargeable batteries
Kumagai et al. Spray-drying synthesized lithium-excess Li4+ xTi4. 95− xNb0. 05O12− δ and its electrochemical property as negative electrode material for Li-ion batteries
JP4479874B2 (ja) 非水電解質二次電池用正極活物質の製造法、並びに非水電解質二次電池
Ji et al. Thermal decomposition and evolved gas analysis of neodymium-doped yttrium aluminum garnet precursor prepared by co-precipitation
Amdouni et al. Structural and electrochemical properties of LiCoO 2 and LiAl y Co 1− y O 2 (y= 0.1 and 0.2) oxides: A comparative study of electrodes prepared by the citrate precursor route
WO2003080517A1 (en) Solid state thermal synthesis of lithium cobaltate
Vediappan et al. Preliminary studies of biominerals-coated spinel LiMn2 O4 as a cathode material on electrochemical performances for Li-ion rechargeable batteries
Murali et al. Synthesis and structural characterization of LiNi0. 92Mg0. 08O2 and LiNi0. 92Co0. 06Mg0. 02O2 cathode materials
Wu et al. Nanocrystalline LiNi1− xCoxO2 cathode materials prepared by a gel-combustion process
Sri Devi Kumari et al. Synthesis of macroporous LiMn 2 O 4 with avian egg membrane as a template

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160718

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20171220

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190718