[發明專利]一種高比能鈦酸氫鋰納米管或線的制備方法

有效

• 申請號: 200910086945.9
• 申請日: 2009-06-12
• 公開（公告）號: CN101575118A
• 公開（公告）日: 2009-11-11
• 發明（設計）人: 唐子龍;徐睿;張中太
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: C01G23/00
• 分類號: C01G23/00;B82B3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種用于鋰離子電池和超級電容器的高比能斜方水合鈦酸氫鋰納米管/線，屬 于納米材料制備技術和能源領域。

背景技術

近年來，尖晶石型鈦酸鋰作為新型儲能電池的電極材料日益受到重視，這是因為尖晶石 型鈦酸鋰在鋰離子插入和脫出前后的晶格常數變化很小，稱為鋰離子插入的“零應變材料”， 因而理論上可以具有優異的循環穩定性。同時，尖晶石鈦酸鋰具有良好的抗過充性能及熱穩 定性能、安全性好和比容量大等特點，是一種優異的新型的鋰離子電池材料。尖晶石型鈦酸 鋰還可以應用于超級電容器的電極材料，為其提供高功率密度和能量密度，在電動汽車和混 合動力汽車等領域有廣闊的應用前景。

純的尖晶石鈦酸鋰起始的電子電導率很低，影響了作為鋰離子電池電極材料的充放電性 能，尤其是快速充放電性能很差，并且其大電流下的循環穩定性并不理想。

本發明中，采用廉價的工業生產二氧化鈦為原材料，經超聲化學水熱法制備出鈦酸納米 管/線，再以此鈦酸納米管/線為原料，與氫氧化鋰進行水熱離子交換，直接得到水合鈦酸氫鋰 納米管/線。與以水熱法制備的鈦酸鋰納米管/線相比，鈦酸氫鋰納米管/線的比容量更高，在 大電流下的充放電性能和循環穩定性更好，使用壽命更長。適合發展作為鋰離子電池、超級 電容器或混合電池的電極材料，并可望應用于電動汽車等方面。

發明內容

本發明涉及一種用于鋰離子電池和超級電容器的高比能斜方水合鈦酸氫鋰納米管/線，屬 于納米材料制備技術和能源領域。采用廉價的工業生產二氧化鈦為原材料，經超聲化學水熱 法制備出鈦酸納米管/線，再以此鈦酸納米管/線為原料，與氫氧化鋰進行水熱離子交換，直接 得到水合鈦酸氫鋰納米管/線。與以水熱法制備的鈦酸鋰納米管/線相比，鈦酸氫鋰納米管/線 的比容量更高，在大電流下的充放電性能和循環穩定性更好，使用壽命更長。它在63C左右 (即在不到1min內放完全部電量)的充放電倍率下，其容量仍然高于130mAh/g。另外，水 合鈦酸氫鋰納米管的循環穩定性也優于尖晶石鈦酸鋰納米管，在5000次循環后，尖晶石鈦酸 鋰納米管的容量只有53mAh/g，是開始時的38％，而此時水合鈦酸氫鋰納米管的容量為 143.3mAh/g，是開始時的86.3％。水合鈦酸氫鋰納米管很適合應用于鋰離子電池、超級電容 器或混合電池的電極材料，提供高能量密度和功率密度，在電動汽車和混合動力汽車等領域 有廣闊的應用前景。

本發明通過如下技術方案實現：

其特征在于，將2～10克工業二氧化鈦與70毫升7-20摩爾/升的NaOH溶液混合，攪拌 3～5小時并進行超聲化學反應0.5～2小時后，進行水熱反應24-100h，水熱溫度為120-200℃。 反應結束后，用0.1M～0.4M的稀酸在pH為2～5的條件下對水熱法的產物進行洗滌0.5～10小 時后，真空抽濾后，產物經80℃干燥后得到白色蓬松的粉體產物，為鈦酸納米管/線 (H₂Ti_nO_2n+1·xH₂O)。將1～3克鈦酸納米管/線與40毫升0.4～0.6摩爾/升的LiOH水溶液混合， 攪拌0.5～3小時，然后進行水熱反應24～72h，制備納米管/線水熱溫度為120-200℃。反應結 束后即得到鈦酸氫鋰Li_1.81H_0.19Ti₂O₅·H₂O納米管或線。

對材料進行電化學測試的測試電池電極膜片的組成：正極膜片以制備的鈦酸氫鋰納米管 或線作為活性物質，加入一定比例的導電劑乙炔黑及粘結劑聚偏氟乙烯(PVDF)。其中活性物 質的質量一共占80％，導電劑乙炔黑和粘結劑的質量各占10％。

組裝測試電池的過程：在經過分散后的活性物質、導電劑乙炔黑和粘結劑PVDF中加入 分散劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)組成漿料，將漿料攪拌4小時使其完全混合均勻，并可置于超 聲波發生器中進行超聲，超聲功率為0.2～0.5W/cm²，時間1小時。然后用刮刀法均勻地涂布 于導電集流體鋁箔上，于85℃下真空中干燥1.5小時后進行沖片。封裝電池在氬氣氣氛的手 套箱中進行。電解液采用1mol/L?LiPF₆的EC∶DMC(1∶1)混合液，隔膜采用Celgard?2400。

附圖說明