[發明專利]碳包覆氮化稀土摻雜鈦酸鋰的制備及應用

在審

• 申請號: 201410521804.6
• 申請日: 2014-09-30
• 公開（公告）號: CN104393271A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 李宏斌
• 申請（專利權）人: 李宏斌
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 張倩

技術領域

本發明屬于納米材料技術領域，具體涉及碳包覆氮化稀土摻雜鈦酸鋰的制備及應用。

背景技術

尖晶石結構鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)做為鋰離子二次電池負極，具有長壽命、高倍率、耐高低溫和安全性好等特點，有良好的應用前景。

鈦酸鋰晶體的空間群為Fd3m，其中O^2-離子構成FCC點陣，位于32e的位置，部分Li⁺位于8a的四面體間隙中，同時部分Li⁺和Ti⁴⁺位于16d的八面體間隙中，其結構式可寫為[Li]_8a[Li_1/3Ti_5/3]_16d[O₄]_32e，晶格常數a＝0.8364mm。在Li⁺嵌入或脫出過程，晶型不發生變化，體積變化小于1％，因此被稱為“零應變材料”。

25℃條件下，鋰離子在Li₄Ti₅O₁₂具有較高的化學擴散系數為2×10^-8cm²/s，高的擴散系數使鈦酸鋰可以快速、多循環充放電。但Li₄Ti₅O₁₂自身導電率約10^-13S/cm，屬于絕緣體，因此要使其在大電流充放電中獲得應用需要對其進行修飾或改性。

在尖晶石結構鈦酸鋰晶體中摻雜過渡金屬原子是提高鈦酸鋰導電性的一個方法(A?novel?spherically?porous?Zr-doped?spinel?lithium?titanate(Li₄Ti_{5_x}Zr_xO₁₂)for?high?rate?lithium?ion?batteries,Xing?Li,Shuihua?Tang,Meizhen?Qu,Pengxiao?Huang,Wen?Li,Zuolong?Yu,Journal?of?Alloys?and?Compounds,588,2014,17–24)。

碳包覆鈦酸鋰是改善和提高鈦酸鋰導電性的一種有效方法。

鈦的氮化物氮化鈦TiN具有很好的導電性能，主要由離子鍵、共價鍵和金屬鍵混合組成，在20℃時其導電率為8.7μS·m^-1(莫畏，鄧國珠，羅方承，鈦冶金，北京:冶金工業出版社,1998:97-99)。在鈦酸鋰晶體結構里摻雜氮化鈦結構或者在鈦酸鋰粒子表面包覆氮化鈦，可以增加鈦酸鋰導電性，提高倍率性能。

含氮元素離子液體在高溫下熱解可以生成氮化碳CN_X。

Paraknowitsch等人采用含氫、碳和氮的離子液體1-乙基-3-甲基咪唑二腈胺鹽(C₈H₁₁N₅)和1-丁基-3-甲基-吡啶二腈胺鹽(C₁₂H₁₆N₄)煅燒后生成氮摻雜熱解碳，通過測量電導率，生成的氮摻雜熱解碳具有高導電性，并且具有抗氧化性(Ionic?Liquids?as?Precursors?for?Nitrogen-Doped?Graphitic?Carbon,Jens?Peter?Paraknowitsch,Jian?Zhang,Dangsheng?Su,Arne?Thomas,and?Markus?Antonietti,Adv.Mater.,2010,22,87–92)。

制備碳包覆氮化稀土摻雜鈦酸鋰的方法還未見報道。

發明內容

為了解決尖晶石結構鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)受導電率約束，無法應用在大電流充放電環境下的技術問題，本發明提出了碳包覆氮化稀土摻雜鈦酸鋰的制備方法及將該方法制備的碳包覆氮化稀土摻雜鈦酸鋰應用在鋰離子二次電池中。

本發明采用如下技術方案：

碳包覆氮化稀土摻雜鈦酸鋰的制備方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

1)將二氧化鈦、碳酸鋰和稀土鹽混勻，置于真空或保護氣體氛圍中煅燒，自然冷卻，得到稀土摻雜鈦酸鋰；