[发明专利]制备钛化合物的方法

说明书

本专利申请根据35 U.S.C.§119(e)要求对于2010年5月21日提交的美国临时申请61/347,249的优先权和权益，所述临时申请以引用方式全文并入本文来作为其一部分以用于所有目的。

技术领域

本公开的主题涉及通过新型的低成本途径从四氯化钛制备Li₄Ti₅O₁₂的方法。通过这一新方法制备的材料具有用于锂离子电池时具有良好的性能的特性(如纯度、粒度和振实密度)。

背景技术

锂离子电池(LIB)具有多种目前和潜在的用途。潜在的应用包括电网储能和运输(例如油电混合动力车、电动车和电动火车)。

在美国能源产生的发展中对电网储能容量的需求是明显的。在美国利用煤炭和天然气发电。然而这种发电产生的二氧化碳占国家二氧化碳排放量的＞40％。需要增加可再生能源如太阳能和风能的发电量以减轻大气中二氧化碳浓度提高带来的影响。然而，间歇性的可再生能源发电与老化电网不能控制电力供应的变化和需求一起成为对电网当前状态的限制。电网储能对于提高电能分配的效率和可靠性来说是必需的。

因储能需要，已经开发了许多电池系统。当与其他供选择的替代品如熔盐电池和高级铅-酸电池比较时，LIB的性能(充放电循环效率、寿命、易用性)很好的适用于本专利申请。电网储能的技术选择的主要因素是成本、寿命、和安全性。Li₄Ti₅O₁₂(LTO)阳极已经显示具有长寿命。该电池与其他电池相比也是安全的，这归因于其构造材料和在电极表面的电解质不发生电化学分解。

以前已经通过多个方法制备了LTO。已经展示了TiO₂与碳酸锂的固态反应，但是产生具有低振实密度的小颗粒。

本领域已知的另一种方法基于在包含LiCl的HCl溶液中使用TiCl₄。将该溶液喷雾干燥以产生包含金红石和锂盐的固体；在这时混合物中的两个材料之间不发生反应。在约800-1000℃下煅烧该混合物以产生LTO。然后这种材料通过重复碾磨和附加的煅烧步骤来获得纳米级的微粒。

已经描述了类似的方法以制备LTO，其涉及将TiCl₄加到水溶液中，然后用氨中和副产物HCl。在这个步骤中产生锐钛矿形式的二氧化钛。该二氧化钛与LiOH混合，然后喷雾干燥以产生期望大小的颗粒。在氮气环境下煅烧，然后在环境大气中产生LTO。

因为材料成本是LIB制造中的最大成本部分，使用低成本材料将提供显著的商业优势。因此需要通过使用廉价试剂的方法简单地、流水线型地制备具有有用特性(例如纯度、粒度和形状)的LTO以用于LIB专利申请。

发明概述

本文所述的多种方法通过提供制备Li₄Ti₅O₁₂的方法解决了本领域的需求。在本发明的一个实施方案中，提供了制备Li₄Ti₅O₁₂的方法，该方法通过(a)水解反应混合物中的TiCl₄以提供TiOCl₂，(b)加热TiOCl₂以提供二氧化钛，以及(c)使所述二氧化钛接触锂盐以制备Li₄Ti₅O₁₂。

本文所公开的方法提供多个优点，其中具有在无需移除副产物如硫酸盐的步骤和/或无需通过外来方法如喷雾干燥来回收所述产物的步骤的情况下直接从溶液中回收LTO的能力。

在本发明的另一个实施方案中，提供了制备二氧化钛的方法，该方法通过(a)水解反应混合物中的TiCl₄以提供TiOCl₂，以及(b)加热TiOCl₂以提供二氧化钛。

附图简述

图1是实施例6中产生的二氧化钛水合物颗粒的扫描电子显微照片。

图2是实施例7中产生的钛酸锂颗粒的扫描电子显微照片。

发明详述

已经发现并在本文中公开了制备Li₄Ti₅O₁₂的方法。在这些方法的一个实施方案中，水解反应产生能够与锂盐混合的钛前体，并且在锂盐的存在下进一步进行水解反应以共沉淀锂和钛二者。如果需要，可随后进一步煅烧沉淀出的产物。