[發(fā)明專利]一種鈦酸鋰/碳納米管復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711453113.7
• 申請(qǐng)日: 2017-12-28
• 公開（公告）號(hào): CN109980223A
• 公開（公告）日: 2019-07-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡偉;甘朝倫;孫操;袁坤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 張家港市國泰華榮化工新材料有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/62
• 分類號(hào): H01M4/62;H01M4/583;H01M4/36;H01B1/00
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 32103
• 代理人: 汪青;周敏

本發(fā)明涉及一種鈦酸鋰/碳納米管復(fù)合材料的制備方法，將鈦酸鋰加入催化劑前驅(qū)體溶液中，混合后于50~120℃下干燥得到混合物，將所述的混合物先在空氣氛圍下于400~800℃煅燒1~4h，然后在還原性氣氛中于500~800℃下加熱30~240min，再在700~1200℃下通入碳源氣體并恒溫反應(yīng)1~24h，然后在惰性氣體保護(hù)下冷卻，去除催化劑得到所述的鈦酸鋰/碳納米管復(fù)合材料。本發(fā)明制備的鈦酸鋰/碳納米管復(fù)合負(fù)極材料，降低了材料的內(nèi)阻，提高了材料的導(dǎo)電性進(jìn)而提高了其在大電流下的快速充放電能力和循環(huán)穩(wěn)定性，為鈦酸鋰負(fù)極材料在鋰離子電池的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種鈦酸鋰/碳納米管復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰離子電池電極材料已經(jīng)成為全世界電池界的研究熱點(diǎn)。負(fù)極材料作為鋰離子電池的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響到電池整體性能的優(yōu)劣。近年來，對(duì)于鋰離子電池負(fù)極材料的研究主要集中在如何提高材料的能量密度，并有效降低在首次充放電中的不可逆容量損失和提高材料的循環(huán)穩(wěn)定性，以及降低生產(chǎn)成本。

目前，碳材料仍然是商品化鋰離子電池負(fù)極材料的主要來源。但碳材料在循環(huán)穩(wěn)定性、安全性能等方面仍存在不少缺陷：插鋰后碳負(fù)極材料的電位與金屬鋰的電位很接近，易形成鋰枝晶造成短路；很多電解液在此電位下不穩(wěn)定，在電池充電時(shí)會(huì)分解并生產(chǎn)可燃性氣體等。作為當(dāng)前電池材料研究的熱點(diǎn)，尖晶石鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂）不僅具有在充放電過程中“零應(yīng)變”的特性，還因?yàn)槠浼饩Y(jié)構(gòu)可提供鋰離子快速運(yùn)動(dòng)的三維通道，并且具有成本低、電位平臺(tái)寬、嵌鋰電位高(1.55V vs Li /Li)，循環(huán)壽命長(zhǎng)、表面不形成鈍化膜等優(yōu)點(diǎn)，是非常理想的鋰離子電池負(fù)極材料。但Li₄Ti₅O₁₂的導(dǎo)電能力很差，屬于典型的絕緣體(電子電導(dǎo)率< 10^-13 Scm^-1)，在大電流充放電時(shí)極化嚴(yán)重，甚至產(chǎn)生大量熱量，容量衰減快，而成為阻礙它被廣泛應(yīng)用的重要原因之一。提高尖晶石Li₄Ti₅O₁₂電子電導(dǎo)率，改善其倍率性能成為L(zhǎng)i₄Ti₅O₁₂實(shí)用化進(jìn)程的關(guān)鍵，成為對(duì)Li₄Ti₅O₁₂研究的主流方向。通常提高其倍率性能的方法通常有三種：一是合成具有特殊結(jié)構(gòu)或納米尺寸的Li₄Ti₅O₁₂；二是通過對(duì)Li₄Ti₅O₁₂摻雜提高其導(dǎo)電能力；三是在其表面包覆高導(dǎo)電相。

碳納米管是由石墨原子單層繞同軸纏繞而成的空心管。碳原子最外層的電子通過SP2雜化和相鄰的三個(gè)碳原子形成穩(wěn)定的鍵，剩余的一個(gè)電子形成離域大π鍵。因而碳納米管管壁內(nèi)存在大量的自由電子，具有良好的導(dǎo)電性，是一種良好的導(dǎo)電劑。中國專利（公開號(hào)：CN1770515A）公開了一種以碳納米管直接作為鋰離子電池正負(fù)極材料導(dǎo)電劑的方法。但是這種方法在實(shí)際應(yīng)用過程中，碳納米管很難分散，團(tuán)聚很嚴(yán)重。中國專利（公開號(hào)：CN101714627A）公開了一種用球磨的方法將碳納米管摻雜到正極材料表面的方法。這種方法制備的復(fù)合材料中，碳納米管與主體材料間的接觸不夠緊密，碳納米管在主體材料表面的分散不均勻，不能發(fā)揮碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)電性能。

申請(qǐng)公布號(hào)CN106207132A公開一種鈦酸鋰/碳纖維/碳納米管/石墨烯四元復(fù)合材料的制備方法，其包括如下制備步驟：

1）碳酸鋰負(fù)載碳纖維和碳納米管催化劑：將1重量份的碳納米管催化劑與100~500重量份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5~20%檸檬酸溶液混合作為碳納米管催化劑前體的溶液，將5~20重量份的碳纖維在上述溶液中浸泡1~3h，然后加入50~500重量份的碳酸鋰粉體浸泡1~3h，之后在200~500℃條件下保溫1~5h，得到負(fù)載有碳纖維和碳納米管催化劑前體的鈦酸鋰；