一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，包括以下步骤：S1、钛源溶液配制；S2、螯合剂溶液配制；S3、二氧化钛水凝胶的制备；S4、二氧化钛气凝胶制备；S5、负载锂源；S6、高温烧结。本发明专利技术提出的一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，制备的超细纳米化碳包覆钛酸锂材料比表面积大，可增大电极与电解液的接触面积，减缓充放电过程中锂离子扩散阻力，同时均匀的碳包覆层可提高锂离子传输速度，有效提高钛酸锂材料的放电容量、倍率性能等电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法
本专利技术涉及电池材料
，尤其涉及一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法。
技术介绍
目前，商业化锂离子电池中大多采用碳电极作负极材料，尽管碳负极材料成本低，但由于嵌锂后碳电极的电位与金属锂的电位很接近，大倍率充电的快速嵌锂过程中由于动力学的不匹配性发生析锂现象，存在安全性能差、首次充放电效率低、高温时热失控等缺点。尖晶石结构的钛酸锂(Li4Ti5O12)相对于碳负极有如下优点：(1)、充放电过程中不形成SEI膜，无不可逆容量损失；(2)、锂离子脱嵌过程中体积不变的“零应变效应”，循环寿命极优；(3)、具有理想的充放电平台，充放电结束时电压突变特性明显；(4)、较高的Ti4+/Ti3+(1.55VvsLi+/Li)氧化还原电势，不会形成锂枝晶；(5)、原料来源广，清洁环保，成本低。钛酸锂材料子扩散系数较碳负极大一个数量级，被认为是在快充领域中最具应用优势的负极材料之一。然而钛酸锂(Li4Ti5O12)电子扩散系数仅为碳负极材料的1/6，成为制约钛酸锂在动力电池中大规模商业化应用的瓶颈。提高钛酸锂(Li4Ti5O12)材料的电导率，改善其大电流充放电性能是其能够获得工业化应用的前提条件。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，制备的超细纳米化碳包覆钛酸锂材料比表面积大，可增大电极与电解液的接触面积，减缓充放电过程中锂离子扩散阻力，同时均匀的碳包覆层可提高锂离子传输速度，有效提高钛酸锂材料的放电容量、倍率性能等电化学性能。本专利技术提出的一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，包括以下步骤：S1、钛源溶液配制：按摩尔份将1份钛酸四丁酯溶解于10-20份乙醇溶液中，然后加入表面活性剂，搅拌均匀，调节体系pH为3.5-5.0，得到溶液A；S2、螯合剂溶液配制：将螯合剂溶解于乙醇溶液中，搅拌均匀，调节体系pH为5.5-6.5，得到溶液B；S3、二氧化钛水凝胶的制备：将溶液B加入溶液A中搅拌均匀，反应20-30min后加入干燥控制试剂，搅拌均匀后静置40-60min，形成二氧化钛水凝胶；S4、二氧化钛气凝胶制备：将二氧化钛水凝胶置于50-80℃的水浴中陈化24-48h，然后分别用50-70℃的乙醇、表面修饰溶剂、极性溶剂洗涤1-3次，再在70-100℃干燥6-12h，得到二氧化钛气凝胶；S5、负载锂源：将氢氧化锂溶解于乙醇溶液中，形成透明溶液后加入二氧化钛气凝胶，搅拌均匀，然后快速干燥，得到钛酸锂前驱体；S6、高温烧结：将钛酸锂前驱体在气氛保护环境中烧结，得到超细纳米化碳包覆钛酸锂材料。优选地，S1中，表面活性剂与钛源的摩尔比为0.3-0.8:100，且表面活性剂为聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇，聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，环氧乙烷-环氧丁烷共聚物、聚乙二醇1000、聚乙二醇2000、三嵌段共聚物F127、三嵌段共聚物F108、三嵌段共聚物P123中的任意一种。优选地，S2中，螯合剂、乙醇溶液和钛源之间的摩尔比为0.5-3:1.5-24:100，且螯合剂为柠檬酸、丙烯酸、草酸、乙酰丙酮、乙二胺六亚甲基四胺中的任意一种。优选地，S3中，溶液B采用逐滴加入的方式加入溶液A中，滴加速度为0.3-2滴/min。优选地，S3中，干燥控制剂与钛源的摩尔比为0.3-1.2:100，且干燥控制试剂为甲酰胺、N，N-二甲基甲酰胺、丙三醇中的任意一种。优选地，S4中，表面修饰溶剂为5％-50％(V％)正硅酸乙酯的乙醇溶液、5％-50％(V％)三甲基氯硅烷的乙醇溶液、5％-50％(V％)甲基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中的任意一种。优选地，S4中，极性溶剂为正己烷、异丙醇、丙酮中的任意一种。优选地，S5中，锂源和钛源的摩尔比为0.81-0.85:1。优选地，S5中，快速干燥为冷冻干燥或旋转蒸发。优选地，S6中，烧结工艺参数如下：烧结温度为700-800℃，烧结时间为6-12h。本专利技术首先利用湿化学方法制备二氧化钛气凝胶，利用二氧化钛气凝胶具有比表面积大、质量轻等优点，制备的超细纳米化碳包覆钛酸锂材料比表面积大，可增大电极与电解液的接触面积，减缓充放电过程中锂离子扩散阻力，同时均匀的碳包覆层可提高锂离子传输速度；可有效提高钛酸锂材料的放电容量、倍率性能等电化学性能。附图说明图1为实施例3中制备的超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的倍率XRD曲线；图2为实施例3中制备的超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的倍率性能曲线。具体实施方式如图所示，图1为实施例3中制备的超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的倍率XRD曲线；图2为实施例3中制备的超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的倍率性能曲线。下面，通过具体实施例对本专利技术的技术方案进行详细说明。实施例1本专利技术提出的一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，包括以下步骤：S1、钛源溶液配制：按摩尔份将1份钛酸四丁酯溶解于10份乙醇溶液中，然后加入0.3份聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇，搅拌均匀，调节体系pH为3.5，得到溶液A；S2、螯合剂溶液配制：将柠檬酸溶解于乙醇溶液中，搅拌均匀，调节体系pH为5.5，得到溶液B；其中，柠檬酸、乙醇溶液和钛源之间的摩尔比为0.5:1.5:100；S3、二氧化钛水凝胶的制备：将溶液B以0.3滴/min的速度加入溶液A中搅拌均匀，反应20min后加入0.3份甲酰胺，搅拌均匀后静置60min，形成二氧化钛水凝胶；S4、二氧化钛气凝胶制备：将二氧化钛水凝胶置于50℃的水浴中陈化48h，然后分别用50℃的乙醇、20％(V％)三甲基氯硅烷的乙醇溶液、正己烷洗涤3次，再在70℃干燥12h，得到二氧化钛气凝胶；S5、负载锂源：将氢氧化锂溶解于乙醇溶液中，形成透明溶液后加入二氧化钛气凝胶，搅拌均匀，然后冷冻干燥，得到钛酸锂前驱体；其中，锂源和钛源的摩尔比0.84:1；S6、高温烧结：将钛酸锂前驱体在气氛保护环境中750℃条件下烧结12h，得到超细纳米化碳包覆钛酸锂材料。实施例2本专利技术提出的一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，包括以下步骤：S1、钛源溶液配制：按摩尔份将1份钛酸四丁酯溶解于12份乙醇溶液中，然后加入0.004份聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，搅拌均匀，调节体系pH为4，得到溶液A；S2、螯合剂溶液配制：将丙烯酸溶解于乙醇溶液中，搅拌均匀，调节体系pH为5.5，得到溶液B；其中，丙烯酸、乙醇溶液和钛源之间的摩尔比为1:4:100；S3、二氧化钛水凝胶的制备：将溶液B以1滴/min的速度加入溶液A中搅拌均匀，反应25min后加入0.006份N，N-二甲基甲酰胺，搅拌均匀后静置50min，形成二氧化钛水凝胶；S4、二氧化钛气凝胶制备：将二氧化钛水凝胶置于60℃的水浴中陈化42h，然后分别用55℃的乙醇、5％(V％)正硅酸乙酯的乙醇溶液、异丙醇洗涤2次，再在80℃干燥10h，得到二氧化钛气凝胶；S5、负载锂源：将氢氧化锂溶解于乙醇溶液中，形成透明溶液后加入二氧化钛气凝胶，搅拌均匀，然后旋转蒸发，得到钛酸锂前驱体；其中，锂源和钛源的摩尔比0.81:1；S6、高温烧结：将钛酸锂前驱体在气氛保护环境中700℃条件下烧结16h，得到超细纳米化碳包覆钛酸锂材料。实施例3本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、钛源溶液配制：按摩尔份将1份钛酸四丁酯溶解于10‑20份乙醇溶液中，然后加入表面活性剂，搅拌均匀，调节体系pH为3.5‑5.0，得到溶液A；S2、螯合剂溶液配制：将螯合剂溶解于乙醇溶液中，搅拌均匀，调节体系pH为5.5‑6.5，得到溶液B；S3、二氧化钛水凝胶的制备：将溶液B加入溶液A中搅拌均匀，反应20‑30min后加入干燥控制试剂，搅拌均匀后静置40‑60min，形成二氧化钛水凝胶；S4、二氧化钛气凝胶制备：将二氧化钛水凝胶置于50‑80℃的水浴中陈化24‑48h，然后分别用50‑70℃的乙醇、表面修饰溶剂、极性溶剂洗涤1‑3次，再在70‑100℃干燥6‑12h，得到二氧化钛气凝胶；S5、负载锂源：将氢氧化锂溶解于乙醇溶液中，形成透明溶液后加入二氧化钛气凝胶，搅拌均匀，然后快速干燥，得到钛酸锂前驱体；S6、高温烧结：将钛酸锂前驱体在气氛保护环境中烧结，得到超细纳米化碳包覆钛酸锂材料。

【技术特征摘要】
1.一种超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、钛源溶液配制：按摩尔份将1份钛酸四丁酯溶解于10-20份乙醇溶液中，然后加入表面活性剂，搅拌均匀，调节体系pH为3.5-5.0，得到溶液A；S2、螯合剂溶液配制：将螯合剂溶解于乙醇溶液中，搅拌均匀，调节体系pH为5.5-6.5，得到溶液B；S3、二氧化钛水凝胶的制备：将溶液B加入溶液A中搅拌均匀，反应20-30min后加入干燥控制试剂，搅拌均匀后静置40-60min，形成二氧化钛水凝胶；S4、二氧化钛气凝胶制备：将二氧化钛水凝胶置于50-80℃的水浴中陈化24-48h，然后分别用50-70℃的乙醇、表面修饰溶剂、极性溶剂洗涤1-3次，再在70-100℃干燥6-12h，得到二氧化钛气凝胶；S5、负载锂源：将氢氧化锂溶解于乙醇溶液中，形成透明溶液后加入二氧化钛气凝胶，搅拌均匀，然后快速干燥，得到钛酸锂前驱体；S6、高温烧结：将钛酸锂前驱体在气氛保护环境中烧结，得到超细纳米化碳包覆钛酸锂材料。2.根据权利要求1所述超细纳米化碳包覆钛酸锂材料的制备方法，其特征在于，S1中，表面活性剂与钛源的摩尔比为0.3-0.8:100，且表面活性剂为聚乙二醇-聚丙二醇-聚乙二醇，聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物，环氧乙烷-环氧丁烷共聚物、聚乙二醇1000、聚乙二醇2000、三嵌段共聚物F127、三嵌段共聚物F108、三嵌段共聚物P123中的任意一种。3.根据权利要求1所述超细纳米化碳包覆钛...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪涛，杨尘，王金龙，朱春林，段锐，
申请(专利权)人：合肥国轩高科动力能源有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽,34