[发明专利]一种钛酸锂微米级球形二次结构的可控合成方法及其应用

说明书

本发明公开了一种钛酸锂微米级球形二次结构的可控合成方法，取钛源和表面活性剂溶于水中并超声分散得到钛源分散液，然后加入锂源，并进一步超声分散，再加入缓冲剂，调节至pH11，10～30℃恒温搅拌均匀得混合溶液，混合溶液于100～180℃反应4～24h，所得产物经水洗、烘干，得到钛酸锂前驱体二次结构，最后在惰性气氛中，于400～1000℃下煅烧6～48h即得。本发明制备方法通过表面活性剂调控原料的浓度，同时利用缓冲溶剂调控反应溶液的pH，实现了对于钛酸锂微米级球形二次结构尺寸的可控，产物钛酸锂微米级球形二次结构在固定pH和原料浓度时，粒径均一，结构稳固，所得的钛酸锂微米级球形二次结构作为高比体积容量电极材料应用在锂离子电池中，其比体积容量可达到120‑232mAh/cm³，并拥有良好的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种钛酸锂微米级球形二次结构的可控合成方法及其应用，属于电池材料科学领域。

背景技术

钛酸锂材料(Li₄Ti₅O₁₂，简称LTO)作为锂离子电池的电极材料，在Li⁺充放电的循环过程中基本没有体积上的变化，结构十分稳定，被称为“零应变”材料，因此钛酸锂材料具有优异的循环性能。另外，钛酸锂的充放电平台很稳定，操作电压在1.55V(vs.Li/Li⁺)，因此可以避免锂枝晶生长和电解液分解带来的安全隐患。再加上钛酸锂材料中Li⁺的扩散系数较大，故而钛酸锂材料已然成为了锂离子电池负极材料的热门候选人。但是，钛酸锂固有的电子导电率很低(10^-13S/cm)，导致高倍率下性能不佳。为了解决钛酸锂材料导电性的问题，大部分的研究都集中在将钛酸锂材料纳米化上。纳米级的材料可以大幅度缩短Li⁺和电子的迁移距离，从而提高钛酸锂的倍率性能。然而，纳米材料的振实密度太低，颗粒和颗粒之间空隙较大，作为锂离子电池的电极材料根本无法压实。

锂离子电池电极材料的比体积容量，是指电极材料单位体积能够提供的容量。单位体积内活性物质越多，能够提供的容量就越大，也就是说材料的振实密度越大，比体积容量也就越高。比体积容量是除了比质量容量之外，衡量锂离子电池电极材料的重要指标。因为无论是便携式电子产品，还是电动汽车，留给锂离子电池的空间都是十分有限的，在有限的空间能够提供更多的能量(也就是高比体积容量)就成了一个极为重要的因素。而纳米材料因为振实密度太低，因而难以满足高比体积容量的要求。

中国专利CN 101000960A公开了“复合钛酸锂电极材料及其制备方法”，该专利通过将球磨后的无机锂盐、二氧化钛、碳源/掺杂剂分散于有机溶剂并瞬间干燥，然后经过高温热处理得到钛酸锂、碳/掺杂剂组成而二次颗粒，最终得到的复合钛酸锂电极材料的振实密度为0.7-1.5g/cm³。中国专利CN 104979541A公开了“一种钛酸锂复合材料及制备方法”，该专利通过将锂源、钛白粉、铝源、碳源和水混合后球磨得浆料，然后将浆料烘干粉碎并高温煅烧得到复合钛酸锂二次颗粒，振实密度为0.9-1.2g/cm³。尽管上述专利均使钛酸锂纳米颗粒形成团聚体，从而一定程度上提高了钛酸锂的振实密度，但是这些利用机械方法得到的团聚体颗粒粒径差别较大，且粒径不可控，难以在生产中控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种能够实现对钛酸锂微米级球形二次结构尺寸的可控合成方法，从而解决钛酸锂材料振实密度低的问题，使其适应工业化生产。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

一种钛酸锂微米级球形二次结构的可控合成方法，包括如下步骤：

步骤一：取钛源和表面活性剂，将其溶于水中并超声分散得到钛源分散液；

步骤二：向步骤一得到的分散液中加入锂源，并进一步超声分散；