[發(fā)明專利]一種亞微米級尖晶石鈦酸鋰及其制備方法與應用

無效

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• 申請日: 2014-04-18
• 公開（公告）號: CN103928667A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發(fā)明（設計）人: 李軍;李少芳;李慶彪
• 申請（專利權）人: 廣東工業(yè)大學
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;C01G23/00
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發(fā)明屬于電池材料，尤其涉及一種亞微米級尖晶石鈦酸鋰及其制備方法與應用。

背景技術

與傳統(tǒng)二次電池（如鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鎳鎘電池等）相比，鋰離子二次電池具有比能量高、工作電壓高、循環(huán)壽命長、自放電小、無記憶效應以及安全無污染等優(yōu)點，被稱為“綠色二次電池”。鋰離子電池得到了飛速地發(fā)展，已被廣泛的應用于數(shù)碼照相機、筆記本電腦、移動電話等便攜式電子產品。應用于電動汽車、混合電動汽車以及電力儲能設備等大型用電設備，在成本、安全性能、能量密度等方面對鋰離子電池提出了更高的要求。然而，目前商用鋰離子電池廣泛使用的碳基負極材料，存在許多不足之處：（1）碳基負極的嵌鋰電位與金屬鋰的電極電位非常接近，過充時在電極表面可能會析出鋰枝晶，造成電池短路，導致安全問題；（2）大多數(shù)電解液在此電位下不穩(wěn)定，易在電極表面分解，產生可燃氣體混合物，存在著安全隱患；（3）存在明顯的電壓滯后現(xiàn)象。因而，尋找廉價易得、性能優(yōu)良的碳負極替代材料成為鋰離子電池的研究熱點。在各種替代材料中，尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂由于其獨特的性能而引起廣泛的關注：一方面，Li₄Ti₅O₁₂具有較高的嵌鋰電位（1.55Vvs.Li/Li⁺），可以避免有機電解質在電極表面被還原以及SEI膜的形成，同時可以阻止鋰枝晶的生成，具有較高的安全性能。另一方面，Li₄Ti₅O₁₂是一種“零應變”嵌入材料，鋰離子的嵌入和脫出幾乎不影響材料的晶體結構，具有優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性。

目前，尖晶石鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂）的制備大多采用傳統(tǒng)的高溫固相法，該法具有工藝簡單，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產等優(yōu)點，但是也存在合成溫度高、燒結時間長、生產效率低，原料混合程度有限，化學成分難以控制，產物顆粒分布不均勻，形貌不規(guī)則，一致性、重現(xiàn)性較差等缺點。因此以高溫固相法合成的材料在電化學性能以及反應的可控性都不甚理想。尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂的電子導電率（約為10^-9Scm^-1）和鋰離子擴散系數(shù)較低，高倍率性能較差，制約了其大規(guī)模應用。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于提供一種亞微米級尖晶石鈦酸鋰，旨在解決現(xiàn)有材料合成方法效率低、化學成分和形貌難以控制等，并且制得的尖晶石鈦酸鋰材料的電子導電率和鋰離子擴散系數(shù)較低，高倍率性能較差等問題。

本發(fā)明的另一目的在于提供上述亞微米級尖晶石鈦酸鋰的制備方法，該方法能使得原料在分子水平上的均勻混合，反應過程時間短、溫度低，化學反應度高，可精確控制化學計量比，制備的亞微米級尖晶石鈦酸鋰材料具有產品均一性好、粒徑小且分布均勻、結構穩(wěn)定等優(yōu)點，成功解決了鈦酸鋰材料電導率和離子擴散系數(shù)低而導致其電化學性能不佳等問題。

本發(fā)明的再一目的在于提供上述亞微米級尖晶石鈦酸鋰的應用。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種亞微米級尖晶石鈦酸鋰，通過以下按質量份計的各組分為原料制備而成：

優(yōu)選地，上述亞微米級尖晶石鈦酸鋰，通過以下按質量份計的各組分為原料制備而成：

本發(fā)明進一步提供了上述亞微米級尖晶石鈦酸鋰的制備方法，包括以下步驟：

（1）將35～60質量份鈦酸丁酯、5～10質量份醋酸鋰，分別溶解于30～60質量份無水乙醇中；在磁力攪拌下，將溶液混合均勻形成黃色透明溶液；

（2）將30～45質量份己二酸溶于40～50質量份乙醇和5～30質量份水的混合溶液中，將所述混合溶液在1200～2000rpm磁力攪拌下緩慢滴加到所述黃色透明溶液中，形成白色粘性溶液；

（3）將所述白色粘性溶液升溫至80℃并不斷攪拌，直到形成白色凝膠；

（4）將所述白色凝膠置于空氣中100℃下干燥24h，形成干凝膠前驅體；

（5）將所述干凝膠前驅體研磨后，在300～500℃溫度下預燒3～5h，然后在空氣中700～900℃溫度下熱處理6～12h，得到亞微米級尖晶石鈦酸鋰。

優(yōu)選地，在步驟（2）中，所述混合溶液的制備還包括：將30～40質量份己二酸和1～5質量份偏釩酸銨溶于40～50質量份乙醇和5～29質量份水中得到。