一种碳包覆钛酸锂电池材料的制备方法技术

本发明专利技术以钛酸四丁酯、十六烷基三甲基溴化铵、叔丁醇配成钛源分散液，以二水醋酸锂、去离子水和叔丁醇配成锂源溶液，将混合的钛源分散液转移至微波反应器中微波加热至回流，滴入锂源溶液，待滴入完毕后继续反应1h，冷却，去除溶剂，然后干燥得到钛酸锂前驱体。得到的钛酸锂前驱体放置管式炉中，在空气氛围下350℃预处理1h，随后在Ar气氛围下800℃烧结8h，得到碳包覆钛酸锂电极材料。将得到的活性材料、乙炔黑以及PVDF混匀均匀的在铝箔上面涂膜，制备得到纽扣电池电极片，最后在手套箱中组装半电池并对充放电性能进行测试将活性材料做成半电池进行性能检测，检测发现，碳包覆钛酸锂在1C倍率下容量仍有100mAh/g，循环1000次后比容量仍能保持99％以上，相对于纯相钛酸锂具有优异的充放电性能。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆钛酸裡电池材料的制备方法
本专利技术，属于电化学
。
技术介绍
锂离子电池作为高效的储能装置已经广泛应用于笔记本电脑(Shen C M, Zhang XGj Zhou Y K，et al.Preparat1n and characterizat1n of nanocrystalIineLi4Ti5012by sol - gel method[J].Materials Chemistry and Physics，2002，78:437-441)、移动电话及其他便携式电子产品中。电极材料决定了锂电池的性能，因此，提高锂电池性能的关键是发展新型高效的电极材料。锂电池中，锂离子电池中负极一般釆用碳材料，最常用的就是石墨。但是，石墨材料由于内部结构的脆弱难用于大功率动力电池中[6-7]，影响了电池的使用寿命。由于其他负极材料各自的缺点，钛酸锂作为一种新型的负极材料具有很多优点，例如安全性能好、使用寿命长、充放电效率高、结构稳定等，有潜力在锂离子动力电池领域得到广泛的应用，被认为是最有希望的下一代锂离子动力电池的负极材料。 锂钛复合氧化物Li4Ti5O12具有尖晶石结构，20世纪70年代被作为超导材料进行大量研究，80年代末曾作为锂离子蓄电池的正极材料进行研究，但因为它相对于锂电位偏低且比能量也较低(理论比容量为170mAh/g)，而未能引起人们的广泛关注。小柴信晴等人也将其作为锂离子负极材料开展了研究。尖晶石钛酸锂常温下的化学扩散系数为2X 10-8cm2/s,比碳负极材料大一个数量级，充放电速度更快。但是钛酸锂也有其不足之处，钛酸锂的固有电导率为10_7S/m，属于典型的绝缘体，导电性差，大电流放电性能差，因此制备高性能的钛酸锂电极材料必须从改善钛酸锂的电导率增加其大电流充放电能力开始。 其中做的工作较多的是碳包覆钛酸锂复合材料:碳包覆就是在合成前躯体的过程中就加入含C的糖类或者其他含碳物质，然后在一起烧结，从而在颗粒表面分散或包覆导电碳，通常这个碳层都是无定形的，这种材料具有独特的核壳结构和奇特的电学、磁学、光学和力学性能。另外添加的碳在烧结过程中还将起到以下三方面的作用:①起到还原剂的作用，②有效减小颗粒尺寸；③增强内部粒子的接触性。碳源主要包括天然石墨、复合碳、糖类、浙青、乙炔黑等。在碳材料中，石墨烯因为其优异的性能而在科学界引起了广泛的关注。 王姣丽等采用二步煅烧固相反应法合成了纯相的Li4Ti5O12，并以糖类为碳源导电前驱体对Li4Ti5O12进行碳包覆改性获得Li4Ti5012/C复合材料，研究了葡萄糖、蔗糖、淀粉三种不同碳源对Li4Ti5012/C复合材料电化学性能的影响以及中间相球磨碳包覆Li4Ti5O12的改性，很好的改善了材料的导电性能，提高了 Li4Ti5O12的大电流充放电倍率性能，大大丰富了 Li4Ti5O12M料的研究内涵(王姣丽，李劫.Li4Ti5O12电极材料的二步煅烧固相反应法合成及碳包覆改性研究:[中南大学硕士学位论文].长沙:中南大学，2009,20.40)。高剑等研究了一种制备锂离子电池负极材料的新工艺，其以TiCl4和导电碳黑为原料，通过“外凝胶”法制备出掺碳的球形前驱体，之后再通过一定的热处理，制备出了球形的Li4Ti5012/C复合负极材料。研究表明，碳的掺杂明显抑制了 Li4Ti5O12颗粒的生长，增大了材料比表面积，提高了反应的动力学性能。随着科技的进步和人们研究的不断深入，Li4Ti5O12负极材料的制各方法不断推陈出新，各领域相互渗透，各种制备方法也在不断的进行交叉和渗透(高剑，应皆荣，姜长印，等.球形Li4Ti5012/C复合材料的制备及其性能研究.稀有金属材料与工程，2008，37 (4):817—820)。 经过广泛的研究和反复的试验发现，采用微波震荡，加入十六烷基三甲基溴化铵作为反应的模板并且作为后续碳包覆材料相能够得到一种性能优异的钛酸锂复合锂电池负极材料，IC倍率下有100mAh/g，循环1000次后仍能保持99%以上，具有很高的循环性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有的钛酸锂材料存在的工艺要求高，钛酸锂粒径不均一、电导率不够理想、循环性能差、分散性差的等不足，提供。该方法大大提高了钛酸锂作为电池负极材料的传导性、分散性和稳定性，更加节省工业能耗，有利于保护环境。 本专利技术以钛酸四丁酯、十六烷基三甲基溴化铵、叔丁醇配成钛源分散液，以二水醋酸锂、去离子水和叔丁醇配成锂源溶液，将混合的钛源分散液转移至微波反应器中微波加热至回流，滴入锂源溶液，待滴入完毕后继续反应lh，冷却，去除溶剂，然后干燥得到钛酸锂前驱体。得到的钛酸锂前驱体放置管式炉中，在空气氛围下350°C预处理lh，随后在Ar气氛围下800°C烧结8h，得到碳包覆钛酸锂电极材料。将得到的活性材料、乙炔黑以及PVDF混匀均匀的在铝箔上面涂膜，制备得到纽扣电池电极片，最后在手套箱中组装半电池并对充放电性能进行测试将活性材料做成半电池进行性能检测，检测发现，石墨烯/钛酸锂在IC倍率下容量仍有100mAh/g，循环1000次后仍能保持99%以上，具有优异的性能，具体优势如下: (I)采用叔丁醇作为该反应的溶剂，叔丁醇是有机极性溶剂，对反应产物的形成具有模板作用，能够使得钛酸锂的二次团聚更加规则，同时有机溶剂的加入，能够使钛酸四丁酯的水解速率降低，使得反应产物的粒径更小，分散更均匀。 (2)反应中加入十六烷基三甲基溴化铵，对于反应体系来说，十六烷基三甲基溴化铵的加入，使得钛酸锂前驱体的形状更加规则化，这为下一步得到性能较好的碳包覆钛酸锂提供了前提，而且，十六烷基三甲基溴化铵则是后续形成碳包覆的碳源。 (3)微波在反应的作用，一方面为反应回流的进行提供了热源，使得钛酸锂前驱体在回流过程中更加接近完美晶型，另一方面，由于微波的存在，是的形成的大粒子被分散成更多的小粒子，这对复合材料的性能的提升也是有作用的。 (4)锂源溶液的配比中，加入少量的水并用大量的叔丁醇稀释，这使得每次滴入反应溶液中的水更少，水解速率更低，形成的粒子也有利于提高复合材料的电化学性能。 【具体实施方式】 下面用实施例来进一步说明本专利技术，但本专利技术并不受其限制。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。本专利技术中所述的“室温”、“常压”是指日常操作间的温度和气压，一般为25 °C，一大气压。 下述实施例中，电池的电化学测试所用的电极为铜箔(直径:16mm，厚度:0.02mm)，采用半电池作为测试对象。电化学测试为武汉蓝电系统，操作电压为0.5-3V，充放电倍率分别为 0.1、0.2、0.5、1、2、5、10、20、50C。 实施例1 0.03mol钛酸四丁酯、0.5g十六烷基三甲基溴化铵加入到500mL特制的微波反应烧瓶中，并加入200mL的叔丁醇分散，置入超声波发生器中震荡15min，配成钛源溶液，0.024mol 二水醋酸锂加到500mL的烧杯中，加入1mL的去离子水溶解，并加入200mL的叔丁醇稀释，配成锂源溶液，将钛源放入微波反应器中升温，微波加热使其回流，待回流后在烧瓶的一口中用250mL的本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术提供了一种碳包覆钛酸锂电池材料的制备方法及其在锂离子电池中的应用，包括：1)以一定量的含钛有机化合物、十六烷基三甲基溴化铵和有机溶剂超声分散配成混合钛源的分散液，以一定量的含锂化合物、去离子水和有机溶剂超声分散配成锂源溶液。2)将混合的钛源分散液转移至微波反应器中微波加热至回流，缓慢滴加锂源溶液，待锂源溶液滴加完成后继续反应一定时间，冷却，去除溶剂，然后干燥得到钛酸锂前驱体。3)将2)得到的钛酸锂前驱体放置管式炉中，在空气氛围下预处理一定时间，得到处理过的钛酸锂前驱体。4)将3)得到的处理过的钛酸锂前驱体材料在Ar气氛围下烧结一定时间，得到碳包覆钛酸锂电极材料。5)将4)得到的活性材料、乙炔黑以及PVDF混匀均匀的在铝箔上面涂膜，制备得到纽扣电池电极片，最后在手套箱中组装半电池并对充放电性能进行测试。

【技术特征摘要】
1.本发明提供了一种碳包覆钛酸锂电池材料的制备方法及其在锂离子电池中的应用，包括: 1)以一定量的含钛有机化合物、十六烷基三甲基溴化铵和有机溶剂超声分散配成混合钛源的分散液，以一定量的含锂化合物、去离子水和有机溶剂超声分散配成锂源溶液。 2)将混合的钛源分散液转移至微波反应器中微波加热至回流，缓慢滴加锂源溶液，待锂源溶液滴加完成后继续反应一定时间，冷却，去除溶剂，然后干燥得到钛酸锂前驱体。 3)将2)得到的钛酸锂前驱体放置管式炉中，在空气氛围下预处理一定时间，得到处理过的钛酸锂前驱体。 4)将3)得到的处理过的钛酸锂前驱体材料在Ar气氛围下烧结一定时间，得到碳包覆钛酸锂电极材料。 5)将4)得到的活性材料、乙炔黑以及PVDF混匀均匀的在铝箔上面涂膜，制备得到纽扣电池电极片，最后在手套箱中组装半电池并对充放电性能进行测试。2.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李在均，陈腾远，严涛，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32