[发明专利]利用纳米微反应器制备负极材料单分散纳米晶钛酸锂的方法

说明书

技术领域

本发明设计一种纳米微反应器，特别是利用一种纳米微反应器制备锂离子电池负极材料单分散纳米晶钛酸锂。

背景技术

随着更小、更轻和更高性能的电子和通讯设备的迅速发展，人们对为这些设备提供电源的电池性能尤其对比能量提出了越来越高的要求。但是，目前已商品化的锂离子电池和MH/Ni电池的比容量已经很难继续提高。因此，迫切需要开发比能量更高的电池。锂离子二次电池作为高比能量化学电源已经广泛应用于移动通讯、笔记本电脑、摄像机、照相机、便携式仪器仪表等领域，迅速发展成为目前最重要的二次电池之一。锂离子电池作为最新一代的绿色高能蓄电池，于20世纪90年代初迅速发展起来，锂离子电池因其电压高、能量密度高、循环寿命长、环境污染小等优点倍受青睐。目前，商业化的锂离子电池负极材料大多数采用碳负极材料，但是碳负极材料存在一些缺陷：首次放电过程中与电解液发生反应形成表面钝化膜，导致电解液的消耗和首次库伦效率较低；碳电极与金属锂的电极电位相近，在电池过充电时，仍可能会在碳电极表面析出金属锂，而形成枝晶造成短路，引发安全问题等。寻找新型的锂离子负极材料成为研究的热点。尖晶石型的钛酸锂是一种零应变材料，循环性能好、不与电解液反应、充放电电压平台比较平稳、安全性较高、价格低廉且比较容易制备，是很有潜力的动力型锂离子电池负极材料。同时，该材料也存在一些缺点，Li₄Ti₅O₁₂的电导率很低，近乎绝缘，高倍率下的性能较差，若应用于动力车、大型储能电池等领域就会受到极大的限制。因而，针对Li₄Ti₅O₁₂材料导电性差的缺点，提高其电导率和高倍率性能的研究显得尤为重要。目前，常用的改性方法是将其纳米化、包覆或是掺杂，以此来初步提升电极性能。制备纳米化的Li₄Ti₅O₁₂，减小了材料颗粒的大小，缩短Li⁺的扩散路径、减小Li⁺的扩散阻力、减缓电极极化的目的，以此来提高了材料的电化学性能，但是纳米化颗粒在充放电过程中容易发生团聚。随着充放电进行过程，材料的电化学性能会下降。

本发明利用单分散的TiO₂制备单分散纳米晶Li₄Ti₅O₁₂，通过溶胶-凝胶法TEOS水解、缩合形成中空的TiO₂SiO₂核壳结构，中空的介孔二氧化硅球作为纳米微反应器，然后通过锂化过程和热碱腐蚀硅酸盐过程，最终制备单分散纳米晶Li₄Ti₅O₁₂，在制备过程中利用中空介孔二氧化硅球纳米微反应器，能够调控颗粒的大小、形貌、防止颗粒团聚，进而可以提高材料的电化学性能。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种利用纳米微反应器制备单分散的纳米晶钛酸锂的方法，防止在锂离子电池充放电过程中颗粒发生团聚，进一步提高材料的电化学性能。

一种利用纳米微反应器制备负极材料单分散纳米晶钛酸锂的方法，其特征在于，该方法的具体步骤为：

（1）对0.05mol单分散的TiO₂用有机酸进行涂层，使每个单分散TiO₂颗粒被有机酸均匀包覆；

（2）将0.1mol正硅酸四乙酯（TEOS）加入含有表面活性剂的水/乙醇溶液中；

（3）将涂有有机酸的TiO₂分散于上述溶液中，TEOS在油—水/乙醇界面发生水解、缩合反应，形成中空的TiO₂SiO₂核壳结构；

（4）将中空的TiO₂SiO₂核壳结构与锂盐充分混合，800-1000℃煅烧形成Li₄Ti₅O₁₂Li₂SiO₃；

（5）将Li₄Ti₅O₁₂Li₂SiO₃溶于热NaOH溶液中，形成单分散纳米晶Li₄Ti₅O₁₂。

所述的有机酸为油酸、月桂酸、亚油酸中的一种或其组合。