柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法及应用技术

技术编号:11213285 阅读:68 留言:0更新日期:2015-03-26 23:45
本发明专利技术公开了一种柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法,属于新型材料领域。将钛源加入含有氢氟酸的盐酸溶液中,搅拌均匀后,加入巴基纸;将得到的混合物进行水热反应,反应结束后冷却,对反应后巴基纸洗涤并进行干燥处理;将得到的巴基纸加入至锂盐化合物溶液中进行水热反应,反应结束后冷却;将步骤得到的巴基纸置于氮气气氛下煅烧,得到柔性钛酸锂-碳复合电极材料。本方法制备得到的产物可以直接用作自支撑电极,无需加入粘结剂和导电剂,大大简化了电极制备过程,并且该自支撑电极导电性高,电阻和极化低,具有很高的比容量。本发明专利技术还公开了上述制备方法得到的产物在锂离子电池中的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种自支撑电极材料的制备方法及应用,具体讲是一种柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法及应用,属于电池材料领域。
技术介绍
随着传统能源供应的日益短缺,气候等生态环境的恶化,以及环境污染等问题的不断加剧,使得能源结构的调整迫在眉睫。一方面,人们通过开发新能源来满足不断增长的能源需求,另一方面则选择合理利用可再生能源。在开发利用可再生能源的过程中,电能储存技术起到了非常重要的作用。目前用于储能领域的化学电源主要有铅酸电池、钠硫电池、液流电池和锂离子电池。其中,锂离子电池作为新一代的绿色二次电池,具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长,、无记忆效应、无污染及自放电小等优点,成为化学电源领域的研究热点。同时,锂离子电池也因其能量密度高等特点成为电动汽车和混合动力汽车最具潜力的动力能源。目前商品化的锂离子电池负极材料大多采用碳材料,但碳材料仍存在不少缺点,如碳材料的嵌锂电位与金属锂的析出电位很接近,在电池过充电的情况下,碳电极表面会析出金属锂形成枝晶刺穿隔膜造成短路,使得电池的循环寿命缩短和安全性下降。此外,在充电过程中,电解液在碳电极表面发生还原分解,形成一层固体电解质中间相(SEI膜)即钝化膜,造成部分不可逆容量损失。尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12)作为一种新型储能电池的电极材料,具有很多独特的优点。钛酸锂材料具有高的锂离子扩散系数(为2×10-8 cm2/s),在锂离子嵌入、脱出过程中体积几乎没有变化,被称为“零应变材料”,这能够避免充放电循环中由于电极材料的来回收缩而导致的结构的破坏,从而提高电极的循环性能和使用寿命。而且钛酸锂材料的放电平台电位较高,能够在有机电解液不发生分解的电位范围内进行充放电反应,不易形成SEI膜,也没有锂金属的析出,从而使安全性能大大提高。另外,钛酸锂还具有同电解液的反应活性较小,高比表面积、宽泛的使用温度范围等特点。因此,钛酸锂材料已成为用作高功率动力型锂离子电池负极材料的热门研究对象。但是钛酸锂材料的电子导电性较差,仅为10-13S/cm,因此在用作锂离子电池负极材料时倍率性能不佳。此外,在用于传统的电极制备过程中需要加入粘结剂,粘结剂的加入增加了材料额外的电阻,增加电极的极化,并且制备过程繁琐。
技术实现思路
本专利技术所要的技术问题在于克服现有技术缺陷,提供一种制备过程简便,无需加入粘结剂,导电和倍率性能好的柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法及应用。为了解决上述技术问题,本专利技术提供的柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法,包括以下步骤:1)、将钛源加入含有氢氟酸的盐酸溶液中,搅拌均匀后,加入巴基纸,所述盐酸溶液与钛源体积比为100:3-8;2)、将步骤1)得到的混合物进行水热反应,反应结束后冷却至室温,进行洗涤、干燥处理;3)、将步骤2)得到的巴基纸加入至锂盐化合物溶液中进行水热反应,反应结束后,冷却至室温;4)、将步骤3)得到的巴基纸置于氮气气氛下煅烧,得到柔性钛酸锂-碳复合电极材料。本专利技术中,所述步骤1)中氢氟酸的浓度为0.175-0.35mol/L。。本专利技术中,所述步骤1)中盐酸溶液的浓度为5mol/L。本专利技术中,所述步骤1)中钛源为钛酸异丙酯、钛酸四丁酯、四氯化钛或三氯化钛。本专利技术中,所述步骤2)中水热反应的温度为150-190 ℃,反应时间为2-18h。本专利技术中,所述步骤3)中锂盐化合物为氢氧化锂、碳酸锂、草酸锂、硝酸锂、醋酸锂、氯化锂、柠檬酸锂、甲酸锂、异丙醇锂、乳酸锂、氧化锂、烷基锂的一种或多种组合。本专利技术中,所述步骤3)中锂盐化合物溶液的浓度为2.5mol/L。本专利技术中,所述步骤3)中水热反应的温度为60 ℃-80 ℃,反应时间为10h。 本专利技术中,所述步骤4)中煅烧时间为2-4h,煅烧温度500-700℃。本专利技术还提供了上述柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法所制备的柔性钛酸锂-碳复合电极材料在锂离子电池中的应用。本专利技术的有益效果在于:(1)、本专利技术采用水热-锂化法来制备钛酸锂,反应温和、均匀,制备工艺简单;仅需在较低温度下锂化就可以得到钛酸锂复合材料,克服了传统固相反应的高温煅烧过程,从而大大降低能耗,节约资源;(2)、本专利技术中采用巴基纸作为柔性基底,制备的复合材料可以直接用作自支撑电极,一方面避免了粘结剂的加入,降低电阻,大大简化了电极制备过程;另一方面,碳导电网络加快了颗粒与颗粒间电子的传输能力,显著提高了材料的导电性能;(3)、本专利技术柔性钛酸锂-碳复合电极材料具有较高的容量、良好的倍率性能和循环性能,可广泛用作锂离子电池等器件。附图说明图1为本专利技术实施例1所得产物的XRD图;图2为本专利技术实施例1所得产物的FESEM照片;图3为本专利技术实施例1所得产物在不同倍率下的倍率循环图;图4为本专利技术实施例1所得产物在1C倍率下的循环寿命图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。实例一本专利技术柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法,包括如下步骤:1、向18mL含有0.175mol/L氢氟酸的盐酸溶液中加入0.6mL的钛酸异丙酯,盐酸溶液浓度为5mol/L,搅拌均匀后,加入1*1cm的巴基纸搅拌混合; 2、将该混合物置于反应釜中进行温度160℃水热反应10h,反应结束后,自然冷却至室温,洗涤后置于真空干燥箱干燥得到生长有TiO2前驱体的巴基纸;3、取出干燥后的巴基纸,加入2.5mol/L的氢氧化锂溶液中,置于反应釜中温度80℃进行水热反应10h,反应结束后,自然冷却至室温,得到生长了钛酸锂前驱体的巴基纸;4、将得到的巴基纸洗涤干燥,在管式炉中氮气气氛下煅烧2h,煅烧温度600℃,得到柔性钛酸锂-碳复合电极材料。实例二本专利技术柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法,包括如下步骤:1、向18mL含有0.175mol/L氢氟酸的盐酸溶液中加入0.6mL的钛酸异丙酯,盐酸溶液浓度为5mol/L,搅拌均匀后,加入1*1cm的巴基纸搅拌混合; 2、将该混合物置于反应釜中进行温度180 ℃水热反应18h,反应结束后,自然冷却至室温,洗涤后置于真空干燥箱干燥,得到生长有TiO2前驱体的巴基纸;3、取出干燥后的巴基纸,加入2.5mol/L的醋酸锂、柠檬酸锂、异丙醇锂和草酸锂混合溶液中,其中醋酸锂、柠檬酸锂、异丙醇锂和草酸锂的配比为1:1:1:1,置于反应釜中温度80 ℃进行水热反应10 h,反应结束后,自然冷却至室温,得到生长了钛酸锂前驱体的巴基纸;4、将得到的巴基纸洗涤干燥,在管式炉中氮气气氛下煅烧2h,煅烧温度500 ℃,得到柔性钛酸锂-碳复合电极材料。实例三本专利技术柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法,包括如下步骤:1、向18mL含有0.175mol/L氢氟酸的盐酸溶液中加入1.2mL的四氯化钛,盐酸溶液浓度为5mol/L,搅拌均匀后,加入1*1cm的巴基纸搅拌混合; 2、将该混合物置于本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种柔性钛酸锂‑碳复合电极材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:1)、将钛源加入含有氢氟酸的盐酸溶液中,搅拌均匀后,加入巴基纸,所述盐酸溶液与钛源体积比为100:3‑8;2)、将步骤1)得到的混合物进行水热反应,反应结束后冷却至室温,进行洗涤、干燥处理;3)、将步骤2)得到的巴基纸加入至锂盐化合物溶液中进行水热反应,反应结束后,冷却至室温;4)、将步骤3)得到的巴基纸置于氮气气氛下煅烧,得到柔性钛酸锂‑碳复合电极材料。

【技术特征摘要】
1.一种柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
1)、将钛源加入含有氢氟酸的盐酸溶液中,搅拌均匀后,加入巴基纸,所述盐酸溶液与钛源体积比为100:3-8;
2)、将步骤1)得到的混合物进行水热反应,反应结束后冷却至室温,进行洗涤、干燥处理;
3)、将步骤2)得到的巴基纸加入至锂盐化合物溶液中进行水热反应,反应结束后,冷却至室温;
4)、将步骤3)得到的巴基纸置于氮气气氛下煅烧,得到柔性钛酸锂-碳复合电极材料。
2.根据权利要求1柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1)中氢氟酸的浓度为0.175-0.35mol/L。
3.根据权利要求2柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法,其特征在于:所述盐酸溶液的浓度为5mol/L。
4.根据权利要求3柔性钛酸锂-碳复合电极材料的制备方法,其特征在于:所述步骤1)中钛源为钛酸异丙酯、钛酸四丁酯、四氯化钛或三氯化钛。
5.根据权利要求4柔...

【专利技术属性】
技术研发人员:张校刚申来法王晓燕李洪森
申请(专利权)人:南京航空航天大学
类型:发明
国别省市:江苏;32

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