[发明专利]一种生物碳包覆钛酸锂及其制备方法

说明书

本发明涉及一种生物碳包覆钛酸锂及其制备方法，制备过程为先将椰壳、榛子壳、龙眼壳、核桃壳、桃壳、杏壳或竹子中的至少一种洗净，加热之后与钛酸锂混合，先后进行第二次加热和第三次加热，最后冷却，过筛，炭化壳体或炭化的竹子截留在标准筛上被除去，收集通过筛孔的生物碳包覆钛酸锂。本发明利用生物质裂解产生的有机分子在钛酸锂颗粒表面吸附、炭化、沉积生成碳包覆层，界面结合力好，具有较好的充放电性能，且避免了杂质材料的引入，产品纯度高，保证了生物碳包覆钛酸锂作为电池材料的安全性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，尤其是一种生物碳包覆钛酸锂及其制备方法。

背景技术

尖晶石型钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂，简称LTO)具有电压平台平稳、循环寿命长、零应变和安全性高等优点,是一种非常有前景的锂离子电池负极材料，已被国内外多家电池企业用于开发商业化的动力型锂离子电池。然而，作为电子的不良导体，纯Li₄Ti₅O₁₂导电性很差，倍率性能不佳。同时，钛酸锂的胀气问题，也限制了它的应用。

钛酸锂电池胀气的表观原因是由于在充放电循环中固体电解质界面(SEI)膜形成较慢、较少，电解液直接与钛酸锂接触，导致电解液的分解。研究表明，在钛酸锂和电解液界面之间建立一个隔绝层，如包覆一层纳米碳，则在包覆层上形成的SEI膜可以减少钛酸锂与电解质的接触面积，阻止气体的产生；同时碳包覆层还可以增强钛酸锂的导电性，提高其倍率性能。因此，对钛酸锂进行碳包覆是有效提高其倍率性能、抑制胀气的重要手段。常用的碳包覆钛酸锂的方法是将有机炭源(如蔗糖，葡萄糖，柠檬酸等)与钛酸锂粉末或者是二氧化钛与金属锂盐(如碳酸锂，乙酸锂，氢氧化锂等)的混合物共混，在保护性气体下烧结；另外一种常用方法是采用甲烷、乙炔等气体进行气相碳沉积。但上述方法均不同程度地存在工艺复杂，批量化生产困难，碳包覆层不均匀等问题。特别是针对商业钛酸锂的碳包覆改性，仍然需要开发简便易行、易批量化生产的碳包覆方法。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种生物碳包覆钛酸锂及其制备方法。

本发明所述的生物碳包覆钛酸锂的方法，以生物质为原料，优选椰壳、榛子壳、龙眼壳、核桃壳、桃壳、杏壳或竹子中的至少一种。其中所述的榛子壳、龙眼壳、核桃壳、桃壳及杏壳为未经粉碎处理的植物壳，上述植物壳的原始状态不仅有利于加热过程的进行，而且增大了受热面积，有利于有机分子的逸出，避免了局部过热，还能够在三次加热后形成块状或颗粒状炭化壳体，从而被截留在标准筛上被除去。基于同样的原理，所述的椰壳、竹子的尺寸≥1cm×1cm。

本发明中，龙眼壳为龙眼的外壳，核桃壳为核桃的内果皮，即吃核桃时取出核桃仁后剩下的壳体，桃壳、杏壳同核桃壳，皆为取出桃仁、杏仁后剩下的壳体。

通常，人们利用生物质材料时，是将其磨碎成粉，再进行烧制炭化，以实现碳包覆，这种方法中，包覆在材料上的碳来源于生物质固相，其从生物质固相迁移到固相的被包覆材料上，并不能很好地沉积，且固相迁移到固相结合的效率低，材料的均一性难以控制，易发生团聚或者结块。现有技术中也有通过先制备前驱体溶液，之后与钛酸锂混合，得到复合材料，这种方法包覆在材料上的碳来源于液相，含碳物质在溶液中与钛源、锂源结合，在热处理过程中，前驱体溶液发生炭化反应，炭化产物再结合到新生成的钛酸锂结构上，这种从前驱体溶液迁移到固相的被包覆材料，同样存在材料的结构均一性难以控制，易发生团聚或者结块的问题。

本发明中，包覆在材料上的碳来源于生物质初步裂解释放出的有机小分子，这些有机小分子大部分以气态形式存在，其在炭化前已经借助范德华力或者氢键作用下吸附在钛酸锂分子表面，炭化后均一沉积在钛酸锂表面，包覆的结合效果好，材料的均一性得以保证，不会发生团聚或者结块。