[發(fā)明專利]一種尖晶石型鈦酸鋰納米線陣列的制備方法

無效

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• 申請日: 2010-10-13
• 公開（公告）號: CN102044662A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉世斌;段東紅;陳旭;池永慶;張忠林;郝曉剛;李一兵
• 申請（專利權(quán)）人: 太原理工大學(xué)
• 主分類號: H01M4/139
• 分類號: H01M4/139;B82Y40/00;C25D11/12
• 代理公司: 山西太原科衛(wèi)專利事務(wù)所 14100
• 代理人: 戎文華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電極材料的制備方法，特別是一種利用氧化鋁模板制備尖晶石型鈦酸鋰納米線陣列的制備方法。

技術(shù)背景

鋰離子電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、體積小、重量輕等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于移動電話、筆記本電腦、便攜攝像機等便攜式電子設(shè)備中，并向電動汽車、衛(wèi)星及航天等領(lǐng)域拓展應(yīng)用空間。碳素材料因具有價格低、導(dǎo)電性高、循環(huán)性能高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，在鋰離子電池中得到廣泛應(yīng)用。但這種電極由于其電位與陽極的金屬鋰接近，在電池過充時易于析出金屬鋰引發(fā)安全問題，且鋰離子置入和脫嵌阻力大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，導(dǎo)致電池充放電時間長，容量衰減快。因此高比容量和長循環(huán)壽命的新型電極材料是目前鋰離子電池的研究熱點。尖晶石型鈦酸鋰Li₄Ti₅O₁₂作為鋰離子電池負極材料，在充放電時，晶胞參數(shù)a變化很小，容量損失小、循環(huán)壽命長。化學(xué)擴散系數(shù)比碳負極材料大一個數(shù)量級，可用于快速充放電車載鋰電池，并有效解決碳負極存在的問題。但是現(xiàn)有各種結(jié)構(gòu)鋰離子電池材料多為亞微米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)，亞微米結(jié)構(gòu)或微米結(jié)構(gòu)的電池材料存有反應(yīng)活性區(qū)小，電子導(dǎo)電性低，離子遷移距離長、利用率提升困難等問題。隨著納米材料制備技術(shù)的飛速發(fā)展，納米材料在鋰離子電池中的應(yīng)用也越來越廣泛。納米材料作為鋰離子電池材料有著常規(guī)粉體不可比擬的優(yōu)勢，通常，決定鋰離子電池充放電速率的主要因素是鋰離子在電極固相內(nèi)部的擴散速率，眾所周知，一維納米電極材料具有比表面積高、活性高，離子的嵌入和脫出距離短的特點，納米線陣列的電活性材料更具有易于減小電子、離子電阻，提高電極材料利用率的優(yōu)勢。因此，Li₄Ti₅O₁₂的一維有序納米化將是其應(yīng)用于大功率快速充放電電池的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有尖晶石型鈦酸鋰電子導(dǎo)電性低，離子遷移距離長、利用率低、制備工藝復(fù)雜等不足，本發(fā)明提供一種用模板法制備尖晶石型鈦酸鋰納米線陣列的方法。利用本發(fā)明的制備方法不僅鈦酸鋰納米線陣列電極材料的導(dǎo)電性好，而且能增加電極材料利用率，提高電池的比容量和快速充放電能力。

為達到上述目的，一種尖晶石型鈦酸鋰納米線陣列的制備方法，其步驟如下：

(1)制備多孔氧化鋁模板。將純度大于99.999％的鋁板用丙酮除油后在400-500℃下退火3小時，在體積比為1∶4的高氯酸+乙醇拋光液中，溫度為0℃，以15V電壓進行電化學(xué)拋光5min，拋光后鋁板在濃度為0.2～0.4?mol/L草酸電解液中進行第一次陽極氧化，0～10℃條件下反應(yīng)1～3小時，陽極氧化電壓為40～60V；然后將樣品置于由0.4mol/L磷酸+0.2mol/L鉻酸的組成的混合溶液中，在70℃下化學(xué)腐蝕30min；之后，再采用與第一次相同的陽極氧化條件進行4～6小時的二次陽極氧化；最后，鋁板在室溫下用5wt％磷酸中擴孔處理1～2小時，超純水洗凈晾干，即可得到孔徑均勻附于純鋁板的多孔氧化鋁模板。

(2)鈦酸鋰溶膠前軀體的合成。將15ml鈦酸丁酯緩慢加入到100～200ml無水乙醇中，攪拌30min，依次加入3～10ml絡(luò)合劑和2～5ml乙二醇，繼續(xù)攪拌30min形成溶膠，以1mol/L的鹽酸調(diào)整溶膠的pH值至4～5左右，攪拌30min，然后，按n(Li)∶n(Ti)＝0.82的摩爾比加入二水合醋酸鋰(CH₃COOLi·2H₂O)，繼續(xù)攪拌1～6小時，得到金黃色穩(wěn)定透明鈦酸鋰溶膠前軀體。

(3)鈦酸鋰納米線陣列的制備。將第一步制備的多孔氧化鋁模板浸入第二步合成的鈦酸鋰溶膠前軀體中，在真空度為-0.1MP的真空箱中放置10～16小時后，將微孔中充滿鈦酸鋰溶膠前軀體的模板在空氣中自然晾干，然后在管式爐中以5℃/min的速率升溫，空氣氛圍中于600～900℃下高溫焙燒10～20小時，最后將試樣表面用1500號金相砂紙打磨至光滑，用6mol/L的NaOH溶液溶去模板，即可得到尖晶石型鈦酸鋰納米線陣列。

在上述的制備方法，所述的絡(luò)合劑為醋酸，三乙醇胺和乙酰丙酮中的一種；所述的鈦酸鋰納米線的直徑在50～100nm之間。

本發(fā)明所述的制備方法是通過控制鈦酸丁酯與二水合醋酸鋰的摩爾比，使最終得到的產(chǎn)物為鈦酸鋰Li₄Ti₅O₁₂。