[發明專利]一種鈦酸鋰/多孔碳復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201610176100.9
• 申請日: 2016-03-25
• 公開（公告）號: CN105789582A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 徐云龍;張陽;董輝
• 申請（專利權）人: 華東理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/485;H01M4/62;H01M10/0525
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技術領域

本發明公開了一種鈦酸鋰/多孔碳復合材料。本發明還公開了一種鈦酸鋰/多孔碳復合材料的制備方法：按照一定化學計量比稱取一水合氫氧化鋰、鈦酸四丁酯和多孔碳，加入乙醇和去離子水混合均勻，將攪拌后的懸浮液轉移到水熱反應釜中，在180℃下反應24～48小時，得到前驅體漿料，將前驅體漿料進行干燥、粉碎，得到前驅體粉體，然后將前驅體粉體在惰性氣氛中在500℃～700℃溫度下處理5～10小時，制備得到鈦酸鋰/多孔碳復合材料。利用本發明技術方案制備的復合材料具有優異的倍率性能和低溫性能。

背景技術

尖晶石鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂）具有較長的循環壽命、穩定的結構、較高的安全性，這使其成為一種頗有前途的鋰離子電池負極材料。尖晶石鈦酸鋰在充放電過程中發生鋰離子嵌入和脫出，實現從Li₄Ti₅O₁₂到Li₇Ti₅O₁₂的相互轉變，但是晶格參數基本不發生變化，從而能保持很好的結構穩定性，實現充放電過程“零應變”，具有良好的循環性能；尖晶石鈦酸鋰在充放電過程中有一個穩定的電壓平臺（1.55V），這個電壓高于大部分電解質和溶劑的還原電壓，阻止了鈍化電解質膜的產生，使得安全性能大大提高。但是，鈦酸鋰本身也具有一定的缺陷，其電子和離子電導率率很低，高倍率性能較差，這也是其不能廣泛應用的原因。低溫下，離子遷移速率下降，鋰離子脫嵌過程受阻，低溫性能變差。

研究表明多孔碳復合可以提高其放電比容量、倍率性能和低溫性能，因為碳材料可以顯著提高材料整體的導電性。如果將多孔碳作為原料加入，可以改變電極材料的粒徑。粒徑變小，可以提高材料的比表面積，與電解液充分接觸，從而縮短Li⁺遷移距離，提高鋰離子擴散系數，這對于倍率性能的提高至關重要。另外，多孔碳可以吸附電解液，顆粒上孔道結構也有利于鋰離子的傳輸，對電極材料與電解液接觸起到橋梁作用，使得低溫條件下鋰離子遷移速率不會受到很大影響。多孔碳本身也可以為鋰離子的嵌入和脫出提供空間，相對提高材料的充放電比容量。

隨著綠色化學概念的提出，一些生活廢料也被用于科學研究，從而實現其再生價值。因此，多孔碳領域也從科琴黑、碳氣凝膠等延伸到了生物質碳，例如頭發、枯草和樹葉。這些材料經過處理也可以作為電極材料的改性材料，從功能上也可以替代電池材料中的導電炭黑，降低了使用成本。

發明內容

本發明的目的在于克服現有簡單碳復合的鈦酸鋰材料電導率低、高倍率性能差的弊端，提出一種鈦酸鋰/多孔碳復合材料及其制備方法。即通過與多孔碳復合改善鈦酸鋰的電子和離子電導率，進而改善材料倍率和低溫性能的方法，以及通過水熱反應制備前驅體，獲得合適粒徑分布的前驅體，進一步提高材料電化學性能的方法。本發明技術方法制備的鈦酸鋰負極材料顯示出優異的電化學性能。

本發明的技術方案：

（1）前驅體制備：按照一定化學計量比稱取一水合氫氧化鋰、鈦酸四丁酯和多孔碳，加入適量無水乙醇，進行攪拌，攪拌12小時后加入適量去離子水，再攪拌1分鐘后轉移到水熱反應釜中，在180℃反應反應24～48小時得到前驅體漿料，再將前驅體漿料進行洗滌、干燥，研磨后得到前驅體粉體。

（2）燒結：將步驟（1）得到的前驅體粉體置于惰性氣氛中在500℃～700℃溫度下處理5～10小時，然后自然冷卻至室溫，得目標產物鈦酸鋰/多孔碳原位復合材料。

本發明的有益效果是：

在制備鈦酸鋰的前驅體過程中加入多孔碳，鈦酸鋰在多孔碳的孔內外生成，在孔中生長的鈦酸鋰粒徑受到多孔碳的限制，從而產生較小尺寸的鈦酸鋰。一方面，多孔碳作為碳材料，可以提高Li₄Ti₅O₁₂的電子導電性；另一方面，粒徑小的Li₄Ti₅O₁₂在充放電過程中縮短了Li⁺的遷移路徑，提高了Li⁺的擴散系數，從而提高復合材料的倍率和低溫性能。