[发明专利]一种简便、低能耗、零污染的制备原位掺碳锂离子电池负极材料钛酸锂的方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型锂离子电池负极材料—碳包覆的钛酸锂复合材料的制备方法。

背景技术

钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）是尖晶石结构，具有锂离子的三维扩散通道。Li₄Ti₅O₁₂相对锂电极的电位为1.55V(vs Li/Li⁺)，理论容量为175mAh/g。Li⁺的插入和脱嵌对材料结构几乎没有影响，被称为“零应变”电极材料，具有循环性能优良、放电电压平稳、能够在大多数液体电解质的稳定电压区间使用、嵌锂电位高而不易引起金属锂析出、库仑效率高、材料来源广、清洁环保等优良特性。

钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）特殊的钛空腔三维结构决定了其电子机构具有绝缘性，这将会导致钛酸锂在大倍率电流放电下不能得到充分的利用，其导电性差（固有电导率为10^-9S/cm）的缺点也限制了钛酸锂商业化的应用。

钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）的制备方法有传统的固相反应法和溶胶-凝胶法。传统固相反应法不能很好地控制颗粒大小、形貌及其均匀性，从而影响钛酸锂的电化学性能。溶胶-凝胶法制备的产物化学纯度高，均匀性好，但整个制备需要多步反应，反应过程中有大量废液产生，且不能实现原位掺碳，限制了其实际应用。

发明内容

针对钛酸锂导电能力差，制备过程复杂等问题，本发明提供一种简便、低能耗、零污染的制备原位掺碳锂离子电池负极材料钛酸锂的方法。

其技术解决方案是：

一种简便、低能耗、零污染的制备原位掺碳锂离子电池负极材料钛酸锂的方法，其是以锂源的乙醇溶液和液态钛源为前驱物，将两者混匀后在密闭、耐高温、高压的不锈钢反应釜中进行反应，一步制得碳包覆钛酸锂复合锂离子电池负极材料。

上述锂源优选为乙酸锂或氢氧化锂，上述钛源优选为钛酸丁酯、异丙醇钛或钛酸乙酯。

上述锂源与钛源的摩尔比优选为0.84:1。

上述碳包覆钛酸锂复合锂离子电池负极材料中碳的质量百分数≤8%。

上述反应过程为在惰性气氛下进行煅烧，煅烧升温速率为3～5℃/min，煅烧温度为600～800℃，煅烧时间为8～10h。

上述制备原位掺碳锂离子电池负极材料钛酸锂的方法，具体包括以下步骤：

（1）混合：将锂源加入乙醇溶液中，超声分散至完全溶解，然后将锂源的乙醇溶液转移到密闭、耐高温、高压的不锈钢反应釜中，再向反应釜中加入钛源，控制锂源与钛源的摩尔比为0.84∶1；

（2）搅拌：将反应釜中的混合物搅拌30～60分钟，使之挥发掉一定量的乙醇，确保最终产品中碳的质量百分数≤8%；

（3）煅烧：将拧紧后的不锈钢反应釜在惰性气氛下进行煅烧，升温速率为3～5℃/min，煅烧温度为600～800℃，煅烧时间为8～10h，得到碳包覆钛酸锂复合锂离子电池负极材料。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）可以利用液体前驱物在高温下直接煅烧，煅烧过程中液体反应物不会损失，由起始物一步反应制得产物，反应简单，整个反应过程中无固体和液体废物产生，减少了污染，这是其他方法难以实现的；

（2）钛源和锂源分子中的有机部分以及加入的少量溶剂乙醇都可以在该反应过程中碳化，并原位包覆在生成的钛酸锂表面，起到增加钛酸锂电子导电性的作用；另外少量溶剂乙醇还可以作为溶解锂源的溶剂，提高锂源在液态钛源中的分散均匀性；

（3）原位掺入的碳的比例可以通过选择不同的钛源前驱物(如钛酸丁酯、异丙醇钛或钛酸乙酯)和控制溶解锂源的乙醇的用量来调控，保持最终掺入碳的质量分数在整体质量的8%以内，以提高所制备掺碳钛酸锂复合电极材料制成电极片后的充放电性能；

（4）在密闭、耐高温、高压不锈钢反应釜内进行反应，釜内压力为反应物高温分解产生的，内部自生压力的存在降低了反应温度，使反应温度低至600℃时仍能得到晶型良好的碳包覆钛酸锂复合负极材料，有效地降低了能耗；

（5）一步制得原位掺入了碳的钛酸锂复合锂离子电池电极材料，在后期制备电极片过程中，可不用加导电剂乙炔黑，直接用合成的碳包覆钛酸锂与聚偏氟乙烯（PVDF）制作电极片，有效地节省了成本；