[发明专利]磷酸钛铝锂的制备方法

说明书

（一）技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种磷酸钛铝锂的制备方法。

（二）背景技术

新能源汽车的普及可以减少环境污染，其中动力电池是关键因素，动力电池通常选用液体电解质，在滥用情况下可能引起起火或爆炸，存在安全隐患。使用固体电解质的全固体电池不使用易燃烧的液体电解液，安全性大幅提高，同时全固体电池的蓄电量更多、输出功率也更大，但固体电解质低的离子电导率阻碍了全固体电池的实用。

固体电解质中，磷酸钛铝锂Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃（LATP）室温离子电导率高达10^-3S/cm，接近商业电解液水平而尤为令人关注。目前常见的合成磷酸钛铝锂的方法主要包括固相法和溶胶凝胶法，固相法工艺简单，但长时间高温煅烧导致能耗较高，且由于锂盐在高温下挥发致使产物纯度较低，溶胶凝胶法使用昂贵的醇盐，成本很高，只适合实验室研究。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种比例控制精确、产品纯度高、可大规模生产的磷酸钛铝锂的制备方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种磷酸钛铝锂的制备方法，以二氧化钛为原料，包括如下步骤：

（1）将二氧化钛、粘结剂和导电剂混合均匀，压制成片；

（2）以步骤（1）中压制的片为正极，锂片为负极组装成电池，根据二氧化钛的质量和锂钛的比例计算嵌锂需要的电量，在放电仪器上放电；

（3）放电完毕后，取出嵌锂的正极，加入适量的铝盐和磷盐混合均匀，高温退火处理得到磷酸钛铝锂。

本发明的更优技术方案为：

所述二氧化钛为纳米颗粒，颗粒大小为25nm；大颗粒增加了锂离子嵌入的难度，可能造成嵌锂不均匀，降低纯度，小颗粒的成本较高，操作困难，25nm的二氧化钛颗粒是目前成熟的商业材料，是综合性能最优的尺寸。

步骤（1）中，所述混合方法为球磨法或研磨法；粘结剂为聚偏氟乙烯或聚四氟乙烯，导电剂为乙炔黑和Super P中的一种或两者的混合物；粘结剂保证了压片的强度，但太多会影响压片的导电性并增加成本，太少起不到粘结作用，质量分数为5-20%是最佳比例，其中优选10%。导电剂保证了压片在放电过程中的导电性，但太多会影响制片的难度并增加成本，太少作用不明显，质量分数为5-20%是最佳比例，其中优选10%。

步骤（2）中，所述电池为纽扣电池，放电仪器为电池测试仪或电化学工作站；在满足量程的条件下尽量选择低量程的电池测试仪，放电电流控制在0.1C以下，保证锂离子可以均匀地嵌入到二氧化钛中。

步骤（2）中，所述放电容量为根据二氧化钛的质量和锂钛的比例计算的嵌锂需要的电量，磷酸钛铝锂Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃中锂钛摩尔比为（1+x）:（2-x），则一定质量二氧化钛嵌入对应量锂所需要的电量的计算公式为，mAh，其中m为二氧化钛的克数，M为二氧化钛的分子量，放电到此时二氧化钛的嵌锂量恰好满足磷酸钛铝锂的摩尔比。

步骤（3）中，铝盐为氧化铝、氢氧化铝、硝酸铝和氯化铝中的一种或多种，磷盐为红磷、白磷、黑磷、五氧化二磷、三氧化二磷、磷酸二氢铵和磷酸氢二铵中的一种或多种；其中有些原料价格较贵，有些原料容易吸潮，优选的是价格便宜性能稳定的氧化铝和磷酸二氢铵。

铝盐、磷盐和二氧化钛中铝、钛、磷的摩尔比为x：（2-x）：3，其中0＜x≤1，磷酸钛铝锂Li_1+xAl_xTi_2-x(PO₄)₃有多种不同比例的化合物，铝、钛、磷的摩尔比是根据最终产物的比例确定。

步骤（3）中，所述高温退火分为预烧和烧结两个阶段，预烧的温度为500-850℃，优选700℃，烧结的温度为700-1100℃，优选900℃；预烧可以保证去除材料中的粘结剂、导电剂及其他杂质和分解生成的气体。更高温度的烧结可以保证充分反应，生成晶粒可控的磷酸钛铝锂。

本发明原料便宜、工艺简单，通过电化学和高温处理两个步骤即可得到高纯度的磷酸钛铝锂，可以精确控制锂铝钛磷比例，解决了通常固相法中锂盐在高温下的挥发致使产物纯度较低的问题。

（四）附图说明