[發明專利]一種制備鋰離子電池負極材料納米TiO2的方法

有效

• 申請號: 201010532196.0
• 申請日: 2010-11-04
• 公開（公告）號: CN101967010A
• 公開（公告）日: 2011-02-09
• 發明（設計）人: 李新海;吳飛翔;王志興;郭華軍;彭文杰;胡啟陽;張云河;伍凌;王小娟
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C01G23/047
• 分類號: C01G23/047
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

技術領域：

本發明屬于鋰離子電池負極材料制備技術領域，涉及一種制備鋰離子電池負極材料納米TiO₂的方法。

技術背景：

鋰離子電池是90年代后投放市場的新一代綠色環保電池，它因為工作電壓高、比能量大、循環壽命長、自放電功率小、無記憶效應、無污染等優點而被廣泛應用于便攜式電器以及電動車中。而鋰離子電池負極材料是制約其整體性能的關鍵因素之一。最早商品化的鋰離子電池所采用的負極材料幾乎都是碳/石墨材料，但由于碳的電極電位與鋰的電位很接近，當電池過充電時，會有部分鋰離子在碳電極表面沉積，形成鋰枝晶而引發安全性問題。另一方面，由于碳/石墨第一次充放電時，會在碳表面形成固體電解質中間相(Solid?Electroltye?Interface?Film，簡稱SEI膜)，造成較大的不可逆容量損失，并且SEI膜的產生增加了電極/電解液界面阻抗，不利于Li⁺的可逆嵌入和脫出。

現有的商業負極材料已達到了性能的極限，并且現有的碳負極材料存在著缺點和不足，新材料技術的突破成為新一代鋰離子電池研制的迫切任務。尋找安全性能更好、比容量更高、循環壽命更長的新型負極材料，已成為鋰離子電池研究的焦點。

TiO₂為鋰離子電池負極材料得到了廣泛研究。其中，TiO₂由于具有較高的理論比容量(335mAh·g^-1)、價格低廉、無毒、無污染等優點而備受關注。TiO₂的嵌鋰電位約為1.75V(vs.Li⁺/Li)，可與4V正極材料組成電壓為2～2.5V的鋰離子電池，其電壓平臺高于碳電極，可以避免金屬鋰的析出而提高安全性能。在有機電解液中的溶解度較小，嵌脫鋰過程中的結構變化小，可避免嵌脫鋰過程的材料體積變化引起的結構破壞，提高材料的循環性能和使用壽命。納米材料一般具有大的比表面積、鋰離子嵌脫深度小和行程短等特性，使納米電極具有在大電流下充放電的極化程度小、可逆容量高、循環壽命長等特點。大的比表面積同時也有利于緩沖充放電過程中體積的變化，其表面效應也有利于更多的鋰嵌入。納米結構的TiO₂材料，如納米微粒、納米棒、納米線、納米管等作為鋰離子電池負極材料也得到研究人員的重視。

制備鋰離子電池負極材料納米TiO₂的方法有很多，如：

Feist和Davies通過高溫固相法，利用純相銳鈦型TiO₂和K₂CO₃在1000℃下煅燒24小時合成K₂Ti₄O₉，再利用1mol/L的鹽酸水洗K₂Ti₄O₉粉末3天得到TiO₂前驅體，再在500℃下煅燒0.5小時合成鋰離子負極材料TiO₂(B).該方法制備出直接約250nm，長度約2μm棒狀結構的納米TiO₂。該方法反應周期長，原料較貴，能耗大，不適合工業生產。

Electrochimica?Acta?55(2010)5975-5983以納米結構的TiO₂和10mol/L的NaOH溶液在高壓釜中150℃下反應48小時，過濾，酸洗與水洗得到納米結構的前驅體，最后在400℃下煅燒4小時合成納米結構的鋰離子電池負極材料TiO₂。該方法原料成本高，反應周期長，設備復雜，能耗高，不適合工業化生產。目前已報道的大多數都是采用各種純相的納米TiO₂與高濃度的NaOH溶液在高壓釜中反應，反應溫度為110～200℃，反應時間為10～100小時，反應結束后通過酸洗水洗得到納米特殊結構的TiO₂前驅體，再通過煅燒得到鋰離子電池負極材料TiO₂。這種制備的納米特殊結構的TiO₂的方法都是采用水熱法在高濃度堿液和復雜設備高壓釜中進行，反應時間長，原料成本高，不適合大規模生產。

發明內容：

本發明所要解決的技術問題是提供一種制備鋰離子電池負極材料納米TiO₂的方法，該方法原料來源廣泛，各種鈦源都適合，工藝流程簡單，無需復雜的設備，成本低，產品的粒度形貌好，電化學性能優異。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種制備鋰離子電池負極材料TiO₂的方法：