[发明专利]一种尖晶石结构含晶须的钛酸锂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机非金属材料的制备领域，特别涉及一种尖晶石结构含晶须的钛酸锂的制备方法。

背景技术

锂离子电池是由正极、负极、隔膜及电解液这四个主要部分构成。其中锂离子电池的正极一般是具有高电位且可逆脱嵌锂离子的材料，比如锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。锂离子电池的负极一般是碳负极材料比如石墨。目前对正极材料的研究已经达到一个瓶颈，因此对负极材料的研究成为另外一个关键。

钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)作为锂离子电池负极材料使用，具有如下突出的性能：尖晶石结构的钛酸锂由于其在嵌脱锂过程中晶格常数几乎不发生变化，被称为“零应变”材料；其理论嵌锂电位为1.55V((VS.Li⁺/Li)，虽然钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)的平台电位较高，但是其优势是保证它能够在有机电解液不发生分解的电位范围内进行充放电，不易形成SEI膜，也没有锂金属的析出，使得安全性大大提高；另外其理论比容量为175mAh/g，并有研究表明其最高理论比容量可达293mAh/g，振实密度远高于石墨电极，因此其相同体积情况下亦能保证高的容量。因此，钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)作为负极材料具有“零应变”、安全性高、充放电性能好、循环性能优良、理论容量高、振实密度大、充放电电压平台稳定等优点，作为锂离子动力电池负极材料，有望解决锂离子电池的快速充电性能和安全性能，具有良好发展和应用前景。

但是，目前工艺制备的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)负极材料受到现有工艺的限制，仍然存在着导电性差和大电流充放电性能差、密度低等缺点，迄今为止难以大规模生产和推广应用。不过在制备钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)负极材料的过程中，我们发现一种尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)的晶须材料的制备方法，这为其他领域，包括锂电池负极材料的研发提供参考与应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种尖晶石结构含晶须的钛酸锂的制备方法，即以廉价的偏钛酸和碳酸锂为主要原料，将偏钛酸加入煅烧晶种(金红石晶种)后与碳酸锂直接以浆料的形式混合、经煅烧去除水分、完成晶型转化后得到尖晶石晶体完整的钛酸锂。在此过程中，用去离子水洗除偏钛酸中的Na⁺及SO₄^2-等有害离子，按Li4Ti5O12化学式中的摩尔比例，称取烘干后的偏钛酸和碳酸锂，经过球磨并过滤去掉大量水分后，置于箱式电炉中，以10℃/分钟的升温速率从室温升温到980℃-1050℃的煅烧范围并恒温4.5～10小时，自然冷却后，即得到一种尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)的晶须材料。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种尖晶石结构含晶须的钛酸锂的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在偏钛酸中加入氢氧化钠溶液，加热至沸腾并搅拌3～5小时，用2.5倍物料体积去离子水洗除Na⁺及SO₄^2-有害离子；

步骤2：将去除Na⁺及SO₄^2-有害离子的偏钛酸烘干，使其中的自由水水分≤10％，经过1～2小时的球磨混和，采用重量法测定T_iO₂含量；

步骤3：按Li₄Ti₅O₁₂化学式中的摩尔比例，称取烘干后的偏钛酸和碳酸锂，并加入约1～2倍物料体积去离子水，球磨约4～5小时；

步骤4：将上述物料过滤去掉大量水分后再置于箱式电炉中，以10℃/分钟的升温速率从室温升温到980℃～1050℃的煅烧范围并恒温4.5～10小时，自然冷却后，即得到尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)的晶须材料。

有益效果：