[发明专利]一种制备钛酸锂材料的方法

说明书

本发明公开了一种制备钛酸锂材料的方法，其特征在于在有机钛源和无机锂源的混合体系中加入碱性调节剂，使钛源和锂源达到分子层级的均匀混合，制备高容量，充放电性能稳定的钛酸锂材料。该材料在0.5C电流密度下的容量达到175Ah/kg，且充放电循环300次，容量几乎没有损失。本方法操作简单、环保，为新型高安全性钛酸锂电池的开发提供了可能。

一、技术领域

本发明通过在有机钛源和无机锂源的混合体系中加入碱性调节剂，使钛源和锂源达到分子层级的均匀混合，制备了高容量，充放电性能稳定的钛酸锂材料。

二、背景技术

钛酸锂是二十世纪七十年代出现的一类新型材料，早期被用作超导材料和正极材料进行研究。1996年加拿大研究者K.Zaghib首次将其用作锂电池负极材料并取得成功。作为电池负极材料的尖晶石型钛酸锂具有锂离子的三维扩散通道，使得锂离子的扩散系数比传统石墨负极电极材料高一个数量级。而且由于在充放电过程中，钛酸锂的结构不会受锂离子嵌入和脱出的影响，在插锂过程中，晶胞参数仅从0.836nm增加至0.837nm，被誉为零应变材料，循环稳定好，比容量得以保持不变。另外作为负极材料钛酸锂的平台电位高达1.55V，避免了锂枝晶的析出问题，大大提高了电池的安全性能。因而它具有更广阔的应用前景。然而由于钛酸锂材料本征导电性差，在高倍率下循环性能和比容量大幅度衰减，而且在充放电过程中易造成电解液的分解，出现安全隐患。这些缺点限制了他的商品化应用。钛酸锂的充放电容量和循环性能很大程度上取决于他的制备条件和合成方法，因此人们尝试利用各种方法来改进钛酸锂的性能。

Hsiao等采用高温固相的方法合成了多孔的(P-)和致密的(D-)钛酸锂(LTO)，然而固相法得到的材料不具有令人满意的颗粒大小，形貌或者均匀性。Zhang等以乙二胺四乙酸(EDTA)和柠檬酸(CA)双组成的螯合剂采用溶胶凝胶法合成了直径150～400nm具有良好结晶性的钛酸锂颗粒，在煅烧过程中螯合剂产生的气体既可以阻止钛酸锂颗粒的团聚又可以限制其生长，但是该合成路线中的原材料有机酸等对环境有很大的污染且价格昂贵。Li等采用静电纺丝的方法以异丙醇钛和醋酸锂为钛源和锂源，以聚乙烯吡咯烷酮为高分子聚合物，配制出静纺溶液，在蠕动泵的推动下同时加以13kV的高电压纺成纤维，后期在750℃下煅烧4h制备出直径在200nm左右，长度可达几微米的钛酸锂/碳复合物纤维。但是该方法不适合实际的生产应用。以上这些工作极大地改进了钛酸锂的合成问题，但在所得钛酸锂材料电性能与制备成本平衡方面还有进一步提高效费比的实际之需要。本发明将有机钛源水解速度可控及无机锂源的廉价，通过碱性调节剂把二者有机结合起来，开发出了一个效费比较高的制备钛酸锂材料的方法。

三、发明内容

本发明的目的是寻求一种环保、合成条件简便的方法来制备高安全性、高容量且循环性能优异的的钛酸锂材料。

该方法典型的合成步骤如下：

(1)将有机钛源溶于溶剂中搅拌均匀，再同无机锂源，碳源,金属盐类和碱性调节剂一起加入球磨机中球磨混合；

(2)取出球磨后混合物烘干，得到前驱体粉末；

(3)将前驱体粉末在空气或惰性气体中程序升温焙烧即得到钛酸锂样品。

其中，步骤(1)所用有机钛源可以是钛酸四丁酯，钛酸异丙酯，醋酸钛或者其它有机钛源；

步骤(1)所用无机锂源可以是碳酸锂、氯化锂、硝酸锂或者其它无机锂源；

步骤(1)所用碱性调节剂可以是氢氧化钠，氢氧化钾，氨水，六次甲基四胺或者其它碱性调节剂；

步骤(1)所用碳源可以是活性炭，石墨，葡萄糖，淀粉，纤维素；

步骤(1)所用金属盐类是过渡金属的硝酸盐；

步骤(1)所用溶剂可以是乙醇，异丙醇，丁醇，丙酮或者其它能溶解有机钛源的溶剂；