[发明专利]一种具有取向结构的纳米片状钛酸锂材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种具有取向结构的纳米片状钛酸锂材料的制备方法，步骤如下：将钛源加入反应溶剂中，搅拌均匀后加入烷基氢氧化铵水溶液，经水热反应得到前驱体A；向氢氧化锂溶液中加入前驱体A，经过水热反应合成前驱体B；将前驱体B进行煅烧处理，即可获得具有取向结构的钛酸锂纳米片。本发明制备的钛酸锂材料具有利于锂离子迁移的取向结构通道，锂离子沿着该取向通道迁移能够降低能量消耗，同时，该钛酸锂材料为纳米片状结构，二维片状纳米结构可有效缩短锂离子的扩散距离。由此，可促进离子的快速迁移，提高材料的快速充放电能力，使材料可作为锂离子电池负极材料应用于功率型动力电池中，解决了现有钛酸锂材料存在的离子迁移率低的瓶颈问题。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种具有取向结构的纳米片状钛酸锂材料及其制备方法与应用。

背景技术

当前，推动和发展节能环保的新能源汽车，是解决能源与环境问题的重要举措。而发展新能源汽车的关键之一，是发展新型高效的电池材料及关键技术。锂离子电池由于具有循环寿命长、环境友好、可以兼具良好的能量密度和功率密度等优点，是目前最具发展潜力的动力电池。然而，现阶段锂离子动力电池仍存在很多不足和挑战，如安全性差、难以实现快速充放电、续航里程短、成本高等，难以满足动力电池的发展需求。因此，发展具有高安全、长续航、高效率、低成本的电池材料与技术，是促进节能与新能源汽车发展的关键所在。

钛酸锂材料是一种具有广阔发展前景的电极材料，其具有零应变、高电位等特性，与其他负极材料相比具有安全稳定、寿命长、倍率性能好、高低温性能优异等显著优点。钛酸锂因其固有的特性被认为是大功率锂离子电池中最有前途的电极材料之一，可用于下一代电动汽车储能电池里。虽然钛酸锂具有很大的应用潜力，但是这类材料也存在一些突出的问题，即电导率低、锂离子扩散系数小，因此阻碍了材料的大规模应用。针对此缺陷，国内外研究者常采用表面改性或包覆、离子掺杂、减小颗粒尺寸等策略加以改善。然而，这些方法都不能从根本上解决钛酸锂的本征离子扩散问题，有些甚至会引发电化学副反应，限制了钛酸锂材料固有优势的发挥。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种具有取向结构的纳米片状钛酸锂材料及其制备方法与应用。本发明制备的钛酸锂材料为具有取向通道的纳米片状结构，可以有效改善离子迁移的问题，减少锂离子在迁移过程中的能量消耗，缩短锂离子的扩散距离，从根本上改善锂离子迁移的动力学过程，这对于发展高安全、高功率、大电流的钛酸锂动力电池具有重要意义。

为实现其目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种具有取向结构的纳米片状钛酸锂材料的制备方法，其包括如下步骤：

(1)将钛源加入反应溶剂中，搅拌均匀后加入烷基氢氧化铵水溶液，经水热反应得到前驱体A；

(2)向氢氧化锂溶液中加入步骤(1)得到的前驱体A，经过水热反应合成前驱体B；

(3)将步骤(2)合成的前驱体B进行煅烧处理，即可获得具有取向结构的钛酸锂纳米片。

优选地，所述步骤(1)的反应溶剂选自乙二醇、丙二醇、丙三醇中的至少一种。

优选地，所述钛源为纯相液体，所述烷基氢氧化铵水溶液的质量分数为20％～30％，所述钛源与烷基氢氧化铵水溶液的体积比为1:(3～5)。

优选地，所述步骤(2)中，按前驱体A:氢氧化锂＝1:(10～15)的质量比添加原料。

优选地，所述氢氧化锂溶液的浓度为0.8～1.25mol/L。

优选地，所述步骤(1)的水热反应的温度为130～150℃，反应时间为12～24h。

优选地，所述步骤(2)的水热反应的温度为100～140℃，反应时间为1～3h。