[发明专利]一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料及其制备方法。通过凝胶溶胶法结合纳米超细研磨与分散技术以及固相反应技术，先制备出纳米磷酸钛粉体，然后与锂源化合物进行反应得到纳米磷酸钛锂，再结合碳纳米管制备出相互交联的纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料。磷酸钛锂的稳定结构以及碳纳米管导电网络，二者协同作用同时提高复合材料的循环性能及倍率性能。

【技术领域】

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料及其制备方法。

【背景技术】

石墨碳材料是当前锂离子电池行业应用最为广泛的负极材料，但由于石墨脱嵌锂电位与金属锂接近，当电池过充电时，碳负极表面易析出金属锂，会形成枝晶锂刺穿隔膜而引起短路，温度过高时易引起热失控等安全问题。同时，锂离子在反复地插入和脱嵌过程中，会使碳负极结构受到破坏，从而导致容量的衰减，缩减电池循环寿命。因此，寻找比碳负极嵌锂电位更高，廉价易得、安全可靠和高比容量的负极材料是非常有必要的。

近年来，固态锂离子导体由于其特殊的性能而受到国内外学者的普遍关注，并在高比能量电池、传感器和其他电化学器件中得到了广泛的应用。LiTi₂(PO₄)₃是一种聚阴离子型化合物，属于钠超离子导体材料(NASICON)，理论比容量为138mAh/g。两个TiO₆八面体和三个PO₄四面体通过共用顶点的氧原子连接，形成三维刚性骨架，在一定的温度下，Li⁺能在骨架中两种不同系列的晶格结点间的狭缝中运动，使具有较高的离子电导率，且在脱嵌锂过程中有良好的结构稳定性和电化学稳定性。LiTi₂(PO₄)₃在2.5V时有稳定平坦的放电平台，充放电过程是LiTi₂(PO₄)₃和Li₃Ti₂(PO₄)₃相互转化反应的过程。同时，其原材料来源丰富、价格低廉、环境友好，有望应用于锂离子电池负极材料。

使用传统的高温固相法制备LiTi₂(PO₄)₃，其产物有粒径大小不易控制、分布不均匀、形貌不规则等缺点。而且LiTi₂(PO₄)₃电子电导率不高，材料充放电过程中的极化较大，材料的电化学性能差，需要对LiTi₂(PO₄)₃进行改性，目前主要的改性方法有进行碳包覆、元素掺杂等。合适的碳包覆层可以提高材料的电子电导率，改善材料在高倍率下的容量衰减。

【发明内容】

本发明的主要目的是提供一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料及其制备方法，通过凝胶溶胶法结合纳米超细研磨与分散技术以及固相反应技术制备出相互交联的纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料。

本发明的一个目的在于提供一种纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)纳米磷酸钛粉体的制备：有机酸以及含钛化合物加入到有机溶剂中，恒温搅拌下加入含磷酸根化合物的水溶液，调节溶液PH，反应静置得磷酸钛凝胶，压滤、干燥、粉碎得纳米磷酸钛粉体；

(2)纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体的制备：碳纳米管加入含有高分子分散剂的水溶液中，分散形成均一的碳纳米管导电浆料，加入纳米磷酸钛粉体及锂源化合物，并加水调整浆料固含量，进行纳米超细研磨及超声分散，得到纳米混合浆料，喷雾干燥得到纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体粉末；

(3)纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料的制备：干燥后的纳米磷酸钛锂@碳纳米管前驱体粉末转移至惰性气氛反应炉中，高温固相反应，冷却至室温研磨过筛处理后得到相互交联的的纳米磷酸钛锂@碳纳米管复合材料。