[发明专利]一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，包括以下步骤：S1、钛源溶液配制；S2、螯合剂溶液配制；S3、二氧化钛水凝胶的制备；S4、二氧化钛气凝胶制备；S5、负载锂源；S6、高温烧结。本发明提出的一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，制备的超细纳米化碳包覆钛酸锂材料比表面积大，可增大电极与电解液的接触面积，减缓充放电过程中锂离子扩散阻力，同时均匀的碳包覆层可提高锂离子传输速度，有效提高钛酸锂材料的放电容量、倍率性能等电化学性能。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，尤其涉及一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法。

背景技术

目前，商业化锂离子电池中大多采用碳电极作负极材料，尽管碳负极材料成本低，但由于嵌锂后碳电极的电位与金属锂的电位很接近，大倍率充电的快速嵌锂过程中由于动力学的不匹配性发生析锂现象，存在安全性能差、首次充放电效率低、高温时热失控等缺点。尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)相对于碳负极有如下优点：(1)、充放电过程中不形成SEI膜，无不可逆容量损失；(2)、锂离子脱嵌过程中体积不变的“零应变效应”，循环寿命极优；(3)、具有理想的充放电平台，充放电结束时电压突变特性明显；(4)、较高的Ti4+/Ti3+(1.55VvsLi+/Li)氧化还原电势，不会形成锂枝晶；(5)、原料来源广，清洁环保，成本低。钛酸锂材料子扩散系数较碳负极大一个数量级，被认为是在快充领域中最具应用优势的负极材料之一。然而钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)电子扩散系数仅为碳负极材料的1/6，成为制约钛酸锂在动力电池中大规模商业化应用的瓶颈。提高钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)材料的电导率，改善其大电流充放电性能是其能够获得工业化应用的前提条件。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，制备的超细纳米化碳包覆钛酸锂材料比表面积大，可增大电极与电解液的接触面积，减缓充放电过程中锂离子扩散阻力，同时均匀的碳包覆层可提高锂离子传输速度，有效提高钛酸锂材料的放电容量、倍率性能等电化学性能。

本发明提出的一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，包括以下步骤：

S1、钛源溶液配制：按摩尔份将1份钛酸四丁酯溶解于10-20份乙醇溶液中，然后加入表面活性剂，搅拌均匀，调节体系pH为3.5-5.0，得到溶液A；

S2、螯合剂溶液配制：将螯合剂溶解于乙醇溶液中，搅拌均匀，调节体系pH为5.5-6.5，得到溶液B；

S3、二氧化钛水凝胶的制备：将溶液B加入溶液A中搅拌均匀，反应20-30min后加入干燥控制试剂，搅拌均匀后静置40-60min，形成二氧化钛水凝胶；

S4、二氧化钛气凝胶制备：将二氧化钛水凝胶置于50-80℃的水浴中陈化24-48h，然后分别用50-70℃的乙醇、表面修饰溶剂、极性溶剂洗涤1-3次，再在70-100℃干燥6-12h，得到二氧化钛气凝胶；

S5、负载锂源：将氢氧化锂溶解于乙醇溶液中，形成透明溶液后加入二氧化钛气凝胶，搅拌均匀，然后快速干燥，得到钛酸锂前驱体；

S6、高温烧结：将钛酸锂前驱体在气氛保护环境中烧结，得到超细纳米化碳包覆钛酸锂材料。

优选地，S1中，表面活性剂与钛源的摩尔比为0.3-0.8:100，且表面活性剂为聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇，聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，环氧乙烷-环氧丁烷共聚物、聚乙二醇1000、聚乙二醇2000、三嵌段共聚物F127、三嵌段共聚物F108、三嵌段共聚物P123中的任意一种。