一种Li4Ti5O12负极材料的制备方法技术

本发明专利技术属于能源材料技术领域，尤其涉及一种Li4Ti5O12负极材料的制备方法。首先，将钛源、锂源和有机物混合，采用低温燃烧法制备Li4Ti5O12前驱体；然后，采用高温机械力化学法将所述Li4Ti5O12前驱体制备成Li4Ti5O12粉末。该方法工艺简单，操作方便，能耗少，反应过程容易控制，适合工业化生产，得到Li4Ti5O12粉末粒径约为200nm。

【技术实现步骤摘要】
一种Li4Ti5O12负极材料的制备方法
本专利技术属于能源材料
，尤其涉及一种Li4Ti5O12负极材料的制备方法。
技术介绍
随着环境污染和能源短缺的日益严重，清洁能源的开发和应用迫在眉睫，与之相应的储能技术特别是化学电源的使用也亟待提高。锂离子电池因其体积小、质量小、能量密度大、循环稳定性好、自放电小、无记忆效应和环境友好等优点，在国民经济和日常生活中发挥着越来越重要的作用。传统的锂离子电池使用石墨等碳基材料作为负极材料，存在安全隐患，即在快充时石墨的嵌锂电位过低，接近0V(vs.Li/Li+)，易在电极表面形成锂枝晶，戳穿多孔隔膜造成内部短路。而Li4Ti5O12材料在脱嵌锂过程中具有“零应变”效应和非常平坦的充放电平台(约1.55Vvs.Li/Li+)，因此，具有非常高的循环稳定性和安全性。但Li4Ti5O12的离子电导率和电子电导率相对石墨较低，众多研究者通过离子掺杂和表面改性处理来提高的Li4Ti5O12电子导电性；通过设计不同形态的纳米颗粒来提高Li4Ti5O12的离子导电性。目前，Li4Ti5O12的制备方法主要有高温固相法、溶胶-凝胶法和水热离子合成法。但，高温固相法制得的材料普遍有团聚现象，且粒径分布不均匀、颗粒较大，导致电池内阻和极化较大；溶胶-凝胶法制备工艺比较复杂，工艺过程难以控制，所用原料均为有机物，导致制备成本较高，不利于大规模生产；水热离子合成法在反应过程中反应条件多变，不易控制，反应在封闭的有限空间里会释放出大量热，存在安全隐患，不适合工业化生产。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题针对现有存在的技术问题，本专利技术提供一种Li4Ti5O12负极材料的制备方法，该方法工艺简单，操作方便，能耗少，反应过程容易控制，适合工业化生产。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术一种Li4Ti5O12负极材料的制备方法：制备Li4Ti5O12前驱体的步骤：以钛源、锂源和有机物为原料，采用低温燃烧法制备Li4Ti5O12前驱体；制备粉末的步骤：采用高温机械力化学法将所述Li4Ti5O12前驱体制备成Li4Ti5O12粉末。进一步地，所述Li4Ti5O12前驱体的制备，包括如下步骤：S1、将钛源分散于水中，加热溶解后与浓氨水混合，得到白色沉淀；S2、用稀硝酸溶解所述沉淀，得到含有TiO2+的硝酸盐溶液；S3、将所述含有TiO2+的硝酸盐溶液与有机物、锂源混合，后加入氨水得到混合溶液；S4、将所述混合溶液加热，形成凝胶后进行自蔓延燃烧，得到低温燃烧合成的Li4Ti5O12前驱体。进一步地，所述钛源为硫酸氧钛、硫酸钛、四氯化钛或钛酸四丁酯；所述有机物为柠檬酸、尿素、三乙醇胺或甘氨酸；所述锂源为硝酸锂、乙酸锂或碳酸锂。进一步地，所述步骤S3中的锂源、所述步骤S1中的钛源、所述步骤S3中的有机物的摩尔浓度比为0.82～0.86：1：1～2。进一步地，在所述步骤S1中，加热的温度为60～70℃，钛源与浓氨水混合后的溶液为中性。进一步地，在所述步骤S3中，混合溶液的pH值大于5。进一步地，在所述步骤S4中，加热的温度为60～80℃，自蔓延燃烧的温度为550～600℃。进一步地，所述制备Li4Ti5O12粉末的步骤是在700～800℃的温度下，将Li4Ti5O12前驱体进行球磨处理，得到Li4Ti5O12粉末。进一步地，所述球磨处理的球料质量比为15～25：1。进一步地，所述球磨处理的时间为5～7h,所述球磨处理的转速为45～55r/min。自蔓延：利用化学反应自身放热合成材料的一种技术，又被称为燃烧合成(CombustionSynthesis)。它的基本要素是：1、利用化学反应放热，完全(或部分)不需要外热源；2、通过快速自动波燃烧的自维持反应得到所需成份和结构的产物；3、通过改变热的释放和传输速度来控制过程的速度、温度、转化率和产物的成份及结构。(三)有益效果本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提供的方法，先用低温燃烧法制备Li4Ti5O12前驱体，然后使用高温机械力化学法制备Li4Ti5O12负极材料，该方法工艺简单，操作方便，能耗少，适用于工业化生产。2、本专利技术提供的方法中，低温燃烧法自制Li4Ti5O12前驱体，可控制Li4Ti5O12的尺寸和形貌，且原料价格便宜，可降低制备纳米Li4Ti5O12成本。3、本专利技术提供的方法，相比于常规高温固相法动辄12～24h的长时间高温煅烧，本专利技术能够在相对较短的时间内便可制备出纳米Li4Ti5O12材料，缩短生产周期、节省制备成本，更适于工业化生产应用。4、本专利技术提供的方法，无需使用高能球磨机，仅以较低转速(50r/min)便可成功制备出纳米Li4Ti5O12材料。5、本专利技术提供的方法，将煅烧与球磨在同一高温炉中同时进行，减少了操作步骤，节省了生产时间，为大规模工业化生产提供了新的方法。附图说明图1为本专利技术实施例1中的反应流程图；图2为本专利技术实施例1中Li4Ti5O12前驱体的SEM图；图3为本专利技术实施例1中Li4Ti5O12粉末的SEM图；图4为本专利技术实施例1中Li4Ti5O12粉末的粒度图。具体实施方式为了更好的解释本专利技术，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本专利技术作详细描述。本实施方式提出一种Li4Ti5O12负极材料的制备方法，制备Li4Ti5O12前驱体的步骤：以钛源、锂源和有机物为原料，采用低温燃烧法制备Li4Ti5O12前驱体；制备粉末的步骤：采用高温机械力化学法将所述Li4Ti5O12前驱体制备成Li4Ti5O12粉末。具体包括如下步骤：S1、取钛源分散于水中，加热溶解，滴加浓氨水调节溶液至中性，并生成白色沉淀Ti(OH)4·nH2O。其中，钛源可选为硫酸氧钛、硫酸钛、四氯化钛或钛酸四丁酯，优选为硫酸氧钛，加热温度为60～70℃。S2、使用去离子水洗涤该沉淀，过滤并保留滤饼(即沉淀)，经去离子水洗涤至洗涤液中不含SO42-离子为止，用稀硝酸溶解该沉淀，得到TiO(NO3)2溶液。其中，用0.5mol/L的BaCl2溶液检验洗涤液中是否含有SO42-离子。S3、分别将有机物和锂源溶解于去离子水中，搅拌均匀后加入TiO(NO3)2溶液，得到混合溶液。其中，锂源、钛源、有机物的摩尔浓度比为0.82～0.86：1：1～2。有机物可选为柠檬酸、尿素、三乙醇胺或甘氨酸，优选为柠檬酸。在水溶液中具有较强络合金属离子能力的柠檬酸作为燃烧剂，通过柠檬酸的络合作用，将钛的水合物单体连接成具有一定空间构造的三维网络状低聚体，这些低聚体形状、大小不一，但均匀地分布在水溶液中，形成均一稳定的溶胶。锂源可选为硝酸锂、乙酸锂或碳酸锂，优选为硝酸锂。S4、向混合溶液中加入浓氨水，将混合溶液调节至pH值大于5。S5、将混合溶液置于60～80℃的温度下进行搅拌蒸发，待形成凝胶后，将凝胶移入刚玉坩埚中，并置于预热好的550～600℃的马弗炉中使其自蔓延燃烧，得到Li4Ti5O12前驱体。S6、将得到的Li4Ti5O12前驱体以球料质量比15～25：1放入不锈钢球磨罐中，密封。将球磨罐放入高温能量球磨机炉膛中，启动球磨机，以45～55r/min的转速持续转动，同时将炉膛升温至700～800℃，并保温5～7h。S7、关闭球磨机待炉膛冷却至室温，取出球磨罐，得到粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Li4Ti5O12负极材料的制备方法，其特征在于，制备Li4Ti5O12前驱体的步骤：以钛源、锂源和有机物为原料，采用低温燃烧法制备Li4Ti5O12前驱体；制备粉末的步骤：采用高温机械力化学法将所述Li4Ti5O12前驱体制备成Li4Ti5O12粉末。

【技术特征摘要】
1.一种Li4Ti5O12负极材料的制备方法，其特征在于，制备Li4Ti5O12前驱体的步骤：以钛源、锂源和有机物为原料，采用低温燃烧法制备Li4Ti5O12前驱体；制备粉末的步骤：采用高温机械力化学法将所述Li4Ti5O12前驱体制备成Li4Ti5O12粉末。2.根据权利要求1所述的Li4Ti5O12负极材料的制备方法，其特征在于，所述Li4Ti5O12前驱体的制备，包括如下步骤：S1、将钛源分散于水中，加热溶解后与浓氨水混合，得到白色沉淀；S2、用稀硝酸溶解所述沉淀，得到含有TiO2+的硝酸盐溶液；S3、将所述含有TiO2+的硝酸盐溶液与有机物、锂源混合，后加入氨水得到混合溶液；S4、将所述混合溶液加热，形成凝胶后进行自蔓延燃烧，得到低温燃烧合成的Li4Ti5O12前驱体。3.根据权利要求2所述的Li4Ti5O12负极材料的制备方法，其特征在于，所述钛源为硫酸氧钛、硫酸钛、四氯化钛或钛酸四丁酯；所述有机物为柠檬酸、尿素、三乙醇胺或甘氨酸；所述锂源为硝酸锂、乙酸锂或碳酸锂。4.根据权利要求2所述的Li4Ti5O12负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中的锂源...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建设，祝喆，刘奎仁，李斌川，韩庆，王飞，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21