[发明专利]PEDOT包覆的钛酸锂纳米颗粒的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种PEDOT包覆的钛酸锂纳米颗粒的制备方法及其应用，制备方法包括以下步骤：将锂源和二氧化钛纳米粒研磨，高温煅烧，得钛酸锂纳米颗粒；配制3,4‑乙烯二氧噻吩单体分散水溶液，将制备的钛酸锂纳米颗粒加入该分散水溶液，均匀分散；分散溶液中加入过硫酸铵和盐酸，搅拌；所得的混合液离心，得到的沉淀洗涤，干燥，得到聚3,4‑乙烯二氧噻吩包覆的钛酸锂纳米粒。本发明方法保证了产物优异性能，简化了工艺，降低了成本，适合大规模生产。将制备的PEDOT包覆的钛酸锂纳米颗粒应用于锂电池负极极片，拥有优异的循环性能、高首效率以及高倍率性能。

技术领域

本发明属于化学电源技术，具体涉及一种导电高分子包覆的钛酸锂纳米颗粒作为锂离子电池负极材料的制备方法与应用。

背景技术

随着各种随身电子设备的全面普及以及作为传统汽车能源的化石燃料的日渐枯竭，锂离子电池凭借能量高、电压高、无污染、寿命长、无记忆效应等优点，在全球范围内得到了大力的推广。从锂电池市场结构来看，锂离子电池已经在电子产品市场方向占据主导地位，并且向动力电池方向大力发展。然而对于动力电池来说，充电电流一般只能有0.1C-0.2C，充电时间长(5-10小时)，严重制约了其发展。另外，由于目前商业化负极材料石墨的放电平台低，导致锂枝晶在负极表面析出，最终刺穿隔膜，导致电源容易短路引发安全隐患。因此，锂离子电池的充电速率问题和安全问题都亟待解决。

钛酸锂作为锂离子电池负极材料，拥有1.55V的高放电平台，可以有效避免锂枝晶的析出，从而提高了电池的安全性。另外具有尖晶石结构的钛酸锂由于其在嵌脱锂的过程中晶格常数几乎不发生变化并且有三面晶格可以脱嵌锂离子，因此在大大延长锂离子电池使用寿命的同时，还可以接受锂离子的快速脱嵌。但是钛酸锂的电导率很低，大电流下不利于电子的快速迁移。为了解决这个问题，一般采用碳包覆来提高导电率。但是包覆的碳层往往需要高温(>700℃)来石墨化或者需要用昂贵且效率较低的化学沉积(CVD)来实现，耗费了大量的能源。

导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)导电率高，稳定性好，作为包覆材料可以提高物质的导电性，和碳包覆相比可节省二次高温煅烧。但是单体3,4-乙烯二氧噻吩单体(EDOT)和聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)在水中是不溶解的，一般需要掺杂分散剂聚对苯乙烯磺酸(PSS)来实现PEDOT的加工。然而PSS的加入提高了生产成本和工艺复杂度，同时PSS作为无容量添加剂在锂离子电池中会导致比质量能量密度的降低。此外，PEDOT的其他聚合方法如电化学聚合、气相沉积聚合等，工艺都较为复杂，不适合大规模应用。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供了一种PEDOT包覆的钛酸锂纳米颗粒的制备方法，解决了聚3,4-乙烯二氧噻吩在锂电池负极材料中的应用工艺复杂、成本较高的问题。本发明的另一目的是将制备的纳米颗粒应用于锂电池负极极片。

技术方案：本发明所述的一种PEDOT包覆的钛酸锂纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：(1)将锂源和二氧化钛纳米粒混合，在行星球磨机中，以1500-3000转/min的转速球磨4-24h，然后将所得的混合物置于管式炉中，以1-5℃/min升温速度，高温煅烧，冷却至室温，得钛酸锂纳米颗粒；(2)取一定量的3,4-乙烯二氧噻吩单体，置于水溶液中，超声分散于水溶液中，将步骤(1)中的钛酸锂纳米粒加入该分散水溶液，超声并搅拌，使其均匀分散，得混合溶液；(3)向步骤(2)中的混合液中加入过硫酸铵(APS)和盐酸(HCl)的水溶液，室温搅拌6-24h；(4)将步骤(3)所得的混合液在2000～10000转/min的转速下离心，得到的沉淀洗涤，干燥，得到聚3,4-乙烯二氧噻吩包覆的钛酸锂纳米粒。本发明所述的制备方法在不添加PSS的情况下，利用超声技术使EDOT以乳浊液的形式分散与水中。同时加入钛酸锂纳米颗粒进行充分的搅拌，利用EDOT在水中的不溶性，使EDOT在钛酸锂纳米颗粒表面沉积。然后通过原位聚合，得到PEDOT包裹的钛酸锂纳米颗粒，该方法在保证产物优异性能的基础上，简化了工艺，降低了成本，适合大规模生产。