[發明專利]磷酸鈦鋰納米復合材料、制備方法及在水系電池中的應用

有效

• 申請號: 202010410183.X
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111591971B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 王曉東;李憶非;李書頂;張旭鋒;王耀國
• 申請（專利權）人: 寧波鋒成納米科技有限公司
• 主分類號: C01B25/45
• 分類號: C01B25/45;C01B32/16;H01M4/58;H01M10/36;B82Y30/00
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 劉潔

本申請公開了一種磷酸鈦鋰納米復合材料、制備方法及在水系電池中的應用，所述磷酸鈦鋰納米復合材料的制備方法，至少包括以下步驟：將含有鋰源、鈦源、磷源、碳源、溶劑的混合液進行水熱反應，得反應產物，焙燒，得到磷酸鈦鋰/碳納米復合材料。該制備方法步驟簡單、合成成本低、合成的產品材料粒徑分布均一，純度高且產量高，適合于工業化放大生產。

技術領域

本申請涉及一種磷酸鈦鋰納米復合材料及其制備方法與應用，屬于鋰離子電池領域。

背景技術

采用鋰離子嵌入化合物和有機電解質溶液的鋰離子電池，自1990年商品化以來,因其能量密度高，質量輕，小體積型電池現已廣泛用于數碼、動力等器件。但因其所采用有機電解液的可燃性和在不正確地使用(如過充、短路、碰撞)時電極材料與有機電解液的高反應活性等引起的安全性和高成本等問題，在一定程度上限制了大型鋰離子電池在儲能和電動汽車中的應用。采用水溶液電解液，可以從根本上解決鋰離子電池的安全性問題。且水溶液電解液的離子電導率比有機電解液高幾個數量級，更進一步地有望提高電池的功率密度。由于水系鋰離子電池具有價格廉價，無環境污染，高安全性能，功率高等優點，已成為具有開發和應用潛力的新一代儲能電池。但鋰離子嵌入化合物在水溶液電解質中的電極反應，遠比在有機電解液中復雜，必須考慮水的分解析氫、析氧反應，因此可選擇的電極材料非常有限。

一種鈦系聚陰離子化合物作為水系鋰離子電池電極材料受到了廣泛關注，這種NASICON型的磷酸鈦鋰材料，具有適合鋰離子傳輸的三維網絡結構、高度可逆的Ti⁴⁺/Ti³⁺氧化還原電對。磷酸鈦鋰電極材料具有高達138mAh/g的理論比容量，但是在水系電解液中，由于存在析氫、析氧的副作用反應，其容量衰減比較嚴重，因此且磷酸鈦鋰材料在水系電解液中容量發揮依然較差(80-100mAh/g左右)、容量衰減問題仍舊存在，這些技術問題亟待需要解決。此外，目前磷酸鈦鋰材料最重要的研究焦點依然是合成工藝和制備方法，其中固相法和顆粒納米化的合成方法已經被普遍采用，這些合成步驟繁瑣、工藝復雜、成本高、純度低及產量低等問題。

發明內容

根據本申請的一個方面，提供了一種磷酸鈦鋰納米復合材料的制備方法，該制備方法步驟簡單、合成成本低、合成的產品材料粒徑分布均一，純度高且產量高，適合于工業化放大生產。

所述磷酸鈦鋰納米復合材料的制備方法，至少包括以下步驟：

將含有鋰源、鈦源、磷源、碳源、溶劑的混合液在200～300℃進行水熱反應6～10h，得反應產物，焙燒，得到磷酸鈦鋰/碳納米復合材料。

可選地，所述鋰源選自金屬鋰的碳酸鹽、金屬鋰的氫氧化物、金屬鋰的草酸鹽、金屬鋰的醋酸鹽、金屬鋰的磷酸二氫鹽、金屬鋰的硝酸鹽中的至少一種；

所述鈦源選自二氧化鈦、偏鈦酸、鈦酸、四氯化鈦中的至少一種；

優選地，當所述鈦源為二氧化鈦時，其顆粒的粒徑為20μm～30μm；

所述磷源選自磷酸二氫銨、磷酸、磷酸二氫鋰中的至少一種；

所述碳源選自葡萄糖、蔗糖、炭黑、乙炔黑、麥芽糊精、β-環糊精、酚醛樹脂、聚乙烯吡咯烷酮和檸檬酸中的至少任意一種。

可選地，所述鋰源、鈦源、磷源的摩爾比為1～1.1：2～2.5：2.5～3.5，其中，所述鋰源以鋰元素摩爾量計、所述鈦源以鈦元素摩爾量計、所述磷源以磷元素摩爾量計；

可選地，所述碳源的質量為所述鋰源、鈦源、磷源總質量的40～80％。

可選地，所述溶劑為水和無水乙醇的混合溶劑；

所述水和無水乙醇的體積比為2:1.1～2:1.6。

可選地，所述水優選蒸餾水或去離子水。

可選地，所述混合液中還包含活性劑；