[發明專利]一種鈦酸鋰-碳納米纖維柔性無紡布及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 201711476716.9
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108183222A
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: 周東山;萬遠鑫;徐曉茜;左晨;宋海媚;王立杰;薛奇;王曉亮;江偉;陳葳;季青
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/485;H01M4/583;H01M10/0525;H01M4/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 楊曉莉

本發明公開了一種鈦酸鋰?碳納米纖維柔性無紡布及其制備方法與應用，其中制備方法包括以下步驟：將鋰源溶解在鈦源的分散液中，經過水熱反應得到尺寸均一的鈦酸鋰前驅體納米顆粒；將鈦酸鋰前驅體納米顆粒分散于聚丙烯腈/二甲基甲酰胺中，利用靜電紡絲技術和高溫煅燒，最終得到鈦酸鋰?碳納米纖維組成的柔性無紡布。本發明方法可以大大提高鈦酸鋰在復合材料中的占比，從而提高鈦酸鋰電池整體的比質量容量；并且采用廉價的原料和簡單的直接將顆粒分散在待紡溶膠的紡絲方法，適合工業化大規模生產。

技術領域

本發明屬于化學電源技術，具體涉及一種鈦酸鋰-碳納米纖維柔性無紡布及其制備方法與應用。

背景技術

為了解決環境污染問題和能源枯竭問題，鋰離子電池作為新能源，已經被廣泛應用于各種便攜式電子設備和部分電動汽車當中。然而，人們對鋰離子電池的安全性、充電時間等要求日益提高，亟需開發可快速充放電、高安全性、價格低廉、循環壽命長的鋰離子電池。另外，隨著便攜式和可穿戴電子產品的蓬勃發展，超薄可彎曲的柔性鋰離子電池受到了人們越來越多的關注。柔性鋰離子電池要求電極極片能承受彎曲或者扭曲，并且在彎曲和扭曲時不會造成電池容量衰減和短路。鈦酸鋰因為其鋰離子遷移速率快、循環時零應變以及嵌鋰電位高，因此被認為是一種可快速脫嵌鋰離子并且高安全性的鋰離子電池負極材料。但是鈦酸鋰的電子導電率很低，屬于絕緣材料，導致鈦酸鋰的倍率性能不佳。為了解決以上問題，鈦酸鋰材料結合靜電紡絲技術進入了人們的視線。

靜電紡絲是利用高壓靜電場對高分子溶液的擊穿作用來制備柔性納微米纖維材料的方法。那么為了提高鈦酸鋰材料的導電性，常將鈦鹽和鋰鹽溶解在待紡溶膠中(溶膠凝膠法)，通過靜電紡絲和高溫煅燒最終形成柔性的鈦酸鋰-碳復合納米纖維。然而受限于鈦鹽和鋰鹽的溶解度，最終復合材料中鈦酸鋰的含量較少，導致組裝成電池后電極整體的比質量容量降低(1-2.5V區間內石墨C幾乎不貢獻容量，但是計算比質量容量時應將石墨C的質量算在內)。另外還有利用水熱等方法將鈦酸鋰納米顆粒修飾在纖維表面上，這種方法雖然可以一定程度上控制鈦酸鋰的含量，但是纖維表面的鈦酸鋰顆粒在電池循環過程中極易聚集和脫落，從而導致電池容量的衰減。

發明內容

發明目的：針對現有技術中的上述缺陷，本申請提供了一種可作為高安全性、可快速充放電的鋰離子電池負極極片的鈦酸鋰-碳纖維柔性無紡布，并提供了其制備方法。

技術方案：本發明所述的一種鈦酸鋰-碳納米纖維柔性無紡布的制備方法，包括以下步驟：

(1)取鈦源分散液，加入鋰源，超聲后攪拌，得到第一混合液；

(2)將步驟(1)得到的第一混合液在100-180℃下水熱反應4-24小時，然后冷卻至室溫；

(3)將步驟(2)冷卻后的水熱反應產物水洗、烘干，得到鈦酸鋰前驅體納米顆粒；

(4)取步驟(3)所得鈦酸鋰前驅體納米顆粒分散在二甲基甲酰胺中，超聲得到第二混合液；

(5)向步驟(4)所得第二混合液中加入聚丙烯腈，攪拌得第三混合液；

(6)將步驟(5)所得第三混合液加入注射器，以0.3-0.5mL/h進行靜電紡絲，得到鈦酸鋰前驅體-聚丙烯腈無紡布；

(7)取步驟(6)得到的鈦酸鋰前驅體-聚丙烯腈無紡布煅燒得到鈦酸鋰-碳納米纖維柔性無紡布。

步驟(1)中，所述鈦源分散液濃度為0.5-3mol/L。

步驟(1)中，所述鈦源為偏鈦酸、鈦白粉或者氫氧化鈦其中的一種或幾種。

步驟(1)中，所述鋰源為氫氧化鋰、乙酸鋰、硝酸鋰、碳酸鋰、氯化鋰中的一種或幾種。

步驟(1)中，所述Li:Ti摩爾比＝0.8-1:1。