[发明专利]一种钛酸锂材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种尖晶石结构钛酸锂材料的制备方法，特别是一种高倍率、高循环性能钛酸锂负极材料的制备方法，属于能源材料领域。

背景技术

随着世界经济的发展，能源、信息、环境已经成为科技发展的三大主题，其中能源问题尤其受到世界各地的广泛关注。锂离子二次电池具有工作电压高、比能量高、体积小、重量轻、寿命长等许多优点，不仅能为小型电子设备如移动电话、笔记本电脑、便携式摄录机提供电能，而且能为混合电车和电动汽车提供电能。

   尖晶石型钛酸鲤（Li₄Ti₅O ₁₂ ）作为新型储能电池的电极材料日益受到重视，是因为尖晶石型钛酸锂在锂离子嵌入、脱嵌过程中晶体结构能够保持高度的稳定性，锂离子嵌入前后都为尖晶石结构，且晶格常数变化很小，同时体积变化很小，小于1% ，所以Li₄Ti₅O ₁₂ 被称为零应变电极材料。这能够避免充放电循环中由于电极材料的反复伸缩而导致结构破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少了随循环次数的增加而带来比容量幅度的衰减，使Li₄Ti₅O ₁₂ 具有优异的循环性能。与碳负极材料相比，Li₄Ti₅O ₁₂平衡电位较高，避免了金属理的沉积，并且其平台容量超过总容量的85%，充电结束时电位迅速上升，此现象可用于指示终止充电，避免了过充电。 因此Li₄Ti₅O ₁₂负极的安全性比碳负极材料高。Li₄Ti₅O ₁₂的化学扩散系数比碳负极材料大一个数量级，充放电速度很快。钛酸锂作为负极材料与LiCoO₂ 、LiMn₂O₄ 、LiNiO₂ 和活性炭等可以组成锂离子电池、全固态电池和混合型超级电容器，表现出良好的应用性能。同时钛酸锂还具有抗过充性能及热稳定性能好、安全性高、可靠性高、寿命长和比容量大等优点，在电动汽车、储能电池等领域有广泛的应用。钛酸锂的合成方法比较多，通常有固相反应法、高能球磨法以及溶胶-凝胶法。

固相法工艺简单，但产品性能不够理想，一般需要掺杂改性，但掺杂改性过程中，掺杂元素难以均匀掺入而导致产品性能不稳定；高能球磨法工艺较复杂，难以实现工业生产。溶胶-凝胶法具有化学均匀性好，化学纯度高等优点，但其缺点也是显而易见的：添加有机化合物造成了成本上升；在烧结的过程中，凝胶过程是一个体积剧烈膨胀的过程，因此反应炉的利用率较低；有机物在烧结过程中产生大量的CO₂ 气体；工艺复杂，难以实现大规模工业化生产来满足能源领域的大量需求。

由于钛酸锂本身的导电性很差，在高倍率充放电时容量不能很好的发挥出来，因此需要通过掺杂、包覆、掺碳等对其改性来提高其导电性，从而提高钛酸锂的率性能，并且需要成本低廉。

发明内容

为弥补上述现有材料的不足，本发明向公开了一种新的制备尖晶石结构钛酸锂材料的制备方法，具体发明内容如下：

1、本发明涉及一种制备高容量、高倍率性能和循环性能优异的尖晶石结构钛酸锂负极材料的方法；

2、其制备方法为：

（1）将Ag、Co、Al、Mg、Zn、Ti、Zr、Si、F的化合物中的一种或几种与纳米二氧化钛一起溶于溶剂后进行紫外光照射，并与偏钛酸、超出计量比3-10%的锂源以及分散剂一起球磨搅拌0.5-8h，同时进行紫外光照射；将磨细并混合均匀后物料烘干后于600-900℃以及一定气氛下恒温加热2-20h，冷却后得到具有晶格掺杂的尖晶石结构钛酸锂材料；

（2）上述（1）中所述Ag、Co、Al、Mg、Zn、Ti、Zr、Si、F的化合物主要为硝酸盐、氟化物、醋酸盐、氧化物或脂类化合物，其加入量为产品钛酸锂摩尔计量比的0.05-2%；

（3）上述（1）中所述纳米二氧化钛为锐钛矿型、金红石型或两种晶型同时存在的混晶结构，其中以80%锐钛矿型、20%金红石型的混晶结构为最佳，纳米二氧化钛的粒度为10-100nm；其中以50nm以下为最佳；

（4）上述（1）中所述紫外光照射中光源强度为：每1L溶液或浆料用10-100W紫外灯或高压汞灯照射，光照距离为3-20cm；