[发明专利]一种稀土掺杂钛酸锂超薄纳米片负极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种稀土掺杂钛酸锂超薄纳米片负极材料的制备方法，包括：1)将0.008～0.012mol的LiOH·H₂O、2～4ml的钛酸四丁酯和0.04～0.1mmol的MCl3·7H₂O混合、分散、再搅拌得到悬浊液，其中M为La、Ce中的一种；2)将悬浊液进行水热反应，然后经抽滤、洗涤，得到改性钛酸锂负极材料前驱体；3)真空干燥，然后研磨成粉末；4)将研磨后的粉末经热处理得到稀土元素M掺杂钛酸锂纳米片负极材料Li₄Ti₅‑xMxO₁₂。本发明的方法工艺简单，不需要预烧及气体保护且易于工业化生产；制得的钛酸锂负极材料不仅产率高，而且在大电流密度下仍具有优异的容量性能、循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及一种稀土掺杂钛酸锂超薄纳米片负极材料的制备方法。

背景技术

伴随着当前电动汽车的快速发展，人们迫切的需要使用具有优异电化学性能和高安全性值得信赖的电池作为电动汽车的动力系统。而当前所使用的LiCoO₂-graphite电池体系由于使用嵌锂电位很低的石墨作为负极，从而易在石墨表面生成锂枝晶进而扎破电池隔膜带来安全隐患。为此，钛酸锂以其自身诸多优点而得到广泛研究。

钛酸锂作为一种锂电池负极材料，相比较于传统石墨，所具有的优点有：(1)放电电压平台高(1.55vs Li/Li⁺)远高于石墨的嵌锂电位，从而从根本上抑制了枝晶锂的形成，并且不与电解液发生反应；(2)钛酸锂负极材料在充放电过程中无体积变化而被称为“零应变材料”，极大地提高了自身的循环性能和安全性能。但是钛酸锂自身低的电子电导率和Li⁺扩散系数严重地限制了钛酸锂负极材料在大电流密度下的倍率及循环性能。近年来广大科研工作者采取了众多方法如杂原子掺杂和包覆高导电剂等措施去改善钛酸锂的电子电导率和Li⁺扩散系数，虽然可以满足常规倍率下钛酸锂负极材料的倍率及循环性能需求，但是在大电流密度如5A/g以上时，经过调研大量相关文献得出其倍率和循环性能均不理想。

目前，比较普遍的方法是采用水热法制备钛酸锂负极材料，如王丹等人的专利申请CN103022461 A中，先利用钛酸酯水解在聚乙二醇(PEG)和乙醇的混合溶液中，之后再在通有氮气气氛下的环境中静置若干时间而得到二氧化钛前驱体。随后，再把该前驱体加入到水和乙醇的混合溶液中搅拌，之后再加入氢氧化锂和金属M的可溶性化合物，再经过一段时间搅拌之后转移至水热釜中反应。最后将收集到的粉末状产物在300～600℃条件下煅烧1～6h。才得到成品的钛酸锂负极材料。然而，该制备过程存在工艺复杂，使用氮气而造成成本及能耗较高和使用金属M的可溶性化合物不能对钛酸锂晶格中钛离子价态进行调控进而提高其电导率等诸多问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、能耗和成本较低并且具有较高电导率和锂离子扩散系数的稀土掺杂钛酸锂超薄纳米片负极材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

1)将0.008～0.012mol的LiOH·H₂O、2～4ml的钛酸四丁酯和0.04～0.1mmol的MCl3·7H₂O混合，然后超声分散使之均匀，再在200～400r/min条件下搅拌并依次加入15～25ml乙醇和20～30ml去离子水，搅拌2～4小时得到混合均匀的悬浊液，其中M为La、Ce中的一种；

2)将步骤1)得到的悬浊液转移至水热釜内，并加热至150～180℃，反应24～48h，再冷却至23～25℃，然后将该悬浊液在抽滤的条件下使用40～80ml乙醇洗涤，除去材料内部残留的杂质，得到改性钛酸锂负极材料前驱体；

3)将步骤2)中得到的改性钛酸锂负极材料前驱体，在50～80℃下真空干燥，然后研磨成粉末；