本发明专利技术属于电池技术领域，尤其涉及一种钛酸锂复合材料，所述钛酸锂复合材料是由钛酸锂纳米晶粒原位生长而成的紧密实心的纳米级的棒状钛酸锂颗粒，所述钛酸锂颗粒的表面包覆有碳层；所述钛酸锂纳米晶粒的直径为5～50nm；所述棒状钛酸锂颗粒内部形成有微孔；所述钛酸锂颗粒的长度为1～10μm，宽与高度200nm～500nm，长度与宽度的比值为1～10，高度与宽度的比值为1～5；所述钛酸锂颗粒具有尖晶石结构，且所述钛酸锂的比表面积为0.1～30m2/g，含碳量为0.5％～5wt.％，振实密度为0.7～2.0g/cm3；相对于现有技术，本发明专利技术的材料由纳米结构颗粒组成，具有良好的电化学性能并且比表面积小，振实密度高，能够满足大规模储能以及便携设备的要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电池
，尤其涉及一种钛酸锂复合材料及包含该材料的电极极片和电池，该钛酸锂复合材料具有高振实密度的特点，包含该材料的电极极片和电池具有高循环和高倍率性能。
技术介绍
锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、循环寿命长的特性而被广泛应用在各类便携设备和电动汽车中。尖晶石结构的钛酸锂复合材料作为锂离子电池的电极材料，在充放电过程中晶格畸变小从而体积变化小、结构稳定，被称为“零应变”材料，另外钛酸锂复合材料还具有三维结构的锂离子扩散通道。钛酸锂复合材料的嵌脱锂平台高，这可以防止过充，锂离子在钛酸锂晶格内的扩散系数比石墨大，在快速充电和低温充电时，锂离子也不会发生沉积，因此钛酸锂复合材料具有非常优异的循环可逆性、安全性、低温充电和快速充电的性能。然而，现有的钛酸锂复合材料的制备方法耗能高、制备工艺复杂且制得的钛酸锂复合材料的循环性能较差。就材料尺度而言，纳米级的钛酸锂电极材料具有良好的倍率性能以及循环性能，但是，其比表面积大，而且振实密度低。微米级的钛酸锂复合材料比表面积小，振实密度高，其缺点也是致命的，即，倍率性能与循环性能差。因此，亟待制备一种钛酸锂复合材料，其具备良好的电化学性能(如循环性能、倍率性能)，同时兼顾小的比表面积，高的振实密度。在制作工艺方面，固相法虽然工艺简单、工业化成熟，但产品电化学性能不够理想。一般通过掺杂改性来提升性能，但掺杂这种方法使得掺杂物质不均匀掺入从而引起产品性能不稳定；高能球磨法工艺较复杂，能耗高，难以实现工业化生产。使用溶胶-凝胶法制备的钛酸锂复合材料具有化学均匀性好，化学纯度高，形貌均一单分散等优点，但其缺点在于添加有机化合物造成了成本上升，而且在热处理过程中，会引起体积剧烈膨胀，而且有机物在烧结过程中产生大量的CO2气体，因此反应炉的利用率较低；更糟糕的是，溶胶-凝胶法制作工艺复杂，成本较高，不利于产业化。溶液法制作工艺简单，原料成本低，得到的钛酸锂均一性良好，是一种便于产业化的制备钛酸锂电极材料的方法；同时，制备的钛酸锂复合材料具备良好的循环倍率性能，能够满足大规模储能以及便携设备的要求。有鉴于此，确有必要提供一种钛酸锂复合材料，该材料由纳米结构颗粒组成，具有良好的电化学性能并且比表面积小，振实密度高，能够满足大规模储能以及便携设备的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提供一种钛酸锂复合材料，该材料由纳米结构颗粒组成，具有良好的电化学性能并且比表面积小，振实密度高，能够满足大规模储能以及便携设备的要求。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种钛酸锂复合材料，所述钛酸锂复合材料是由钛酸锂纳米晶粒原位生长而成的紧密实心的纳米级的棒状钛酸锂颗粒，所述钛酸锂纳米晶粒的直径为5～50nm，所述钛酸锂颗粒的表面包覆有厚度为0.1～2nm的碳层，所述棒状钛酸锂颗粒内部形成有微孔，所述微孔的孔径为0.5nm～2nm；所述钛酸锂颗粒的长度为1～10μm，宽度与高度200nm～500nm，长度与宽度的比值为1～10，高度与宽度的比值为1～5；棒状钛酸锂在长度上为微米级,可以提升振实密度,比纳米级的振实密度要高0.5～1倍；宽度与高度上为亚微米级,以此来缩短锂离子扩散距离,提高使用该材料的电池的电化学性能。所述钛酸锂颗粒具有尖晶石结构，且所述钛酸锂的比表面积为0.1～30m2/g，含碳量为0.5％～5wt.％，振实密度为0.7～2.0g/cm3；太大的比表面积会引起该材料与电解液不可逆的副反应，从而降低材料的循环性能与倍率性能。碳层包覆有利于提高材料的电化学性能，但是过多会引起严重的副反应，因此，含碳量必须控制在合理范围之内，不能过高与过低。提高振实密度有利于提高体积密度，然而单纯追求高的振实密度，其电化学性能会急剧下降，所以应该在电化学性能与振实密度之间取得平衡。其制备方法包括如下步骤：a.将钛的化合物加入含有氧化剂的弱碱性溶液，充分搅拌使得氧化剂将钛的化合物氧化完全得到A溶液；b.将稀释剂、含碳有机物以及结构导向剂加入步骤a得到的A溶液中，搅拌合适的时间，得到B溶液；c.将造孔剂以及锂源化合物加入步骤b得到的B溶液中，充分搅拌得到前驱体C溶液；d.适当温度下烘干前驱体C溶液，得到钛酸锂前驱体；e.在合适的温度下烧结步骤d得到的钛酸锂前驱体，得到钛酸锂复合材料。作为本专利技术钛酸锂复合材料的一种改进，步骤a中，先将弱碱性溶液、氧化剂及溶剂按照一定的比例混合均匀，得到PH为7-10的混合溶液，再将钛的化合物加入该混合溶液中并搅拌。该氧化剂的主要作用是使钛的化合物完全溶解，得到所述A溶液，所述的氧化剂物质的量与所述钛的化合物中的钛元素的物质的量的比例为0.8～1.2。其中，混合溶液PH值不能过高，过高会影响结构导向剂的导向作用，从而不能形成微米材料。作为本专利技术钛酸锂复合材料的一种改进，步骤a中，所述氧化剂包括过氧化氢、过氧化钠、过氧化钾、过氧化钙和过氧化镁中的至少一种；所述弱碱性溶液包括氨水、苯胺和甲胺中的至少一种；所述溶剂包括去离子水和超纯水中的至少一种；所述钛的化合物包括氯化钛、氮化钛、碳化钛、钛酸四正丁酯及硫酸氧钛中的至少一种。作为本专利技术钛酸锂复合材料的一种改进，步骤b中，所述含碳有机物与步骤a中的所述弱碱性溶液中的弱碱性物质的物质的量之比为1～5，所述结构导向剂与步骤a中所述钛的化合物的质量比为0.6～1.2，搅拌时间为0.5～1h，所述稀释剂为去离子水和超纯水中的至少一种。作为本专利技术钛酸锂复合材料的一种改进，所述的含碳有机物包括酮类溶液、醇类溶液、醚类溶液和芳香烃类溶液中的至少一种；所述结构导向剂选包括葡萄糖、柠檬酸、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷胺、聚乙烯吡咯烷酮、及聚苯胺中的至少一种或几种。作为本专利技术钛酸锂复合材料的一种改进，步骤c中，所述的造孔剂包括淀粉、聚甲基丙烯酸甲酯，碳酸氢铵、碳酸氢钠、尿素、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙二醇和聚乙烯醇中的至少一种，本专利技术中，在溶液B中原位加入造孔剂，在溶液中混合均匀，使其均匀的分散在自组装前驱体中，但是又不影响自组装形成微米棒状结构。在烘干与热处理过程中，造孔剂随温度的升高逐渐分解，在紧密结构中制造微孔。加入造孔剂的目的是造孔，但是由于比表面积小的限制，所制造的微孔量不要很大，也就是造孔剂的加入不是以增大比表面积为目的而是在紧密结构内部制造微孔为锂离子传输提供大量的扩散通道，从而提升电化学性能。对造孔剂的要求是能够原位加入，不能引入杂质，分解温度不能过高。所述锂源化合物包括醋酸锂、碳酸锂、氟化锂、氢氧化锂、草酸锂和氯化锂中的至少一种；所述前驱体C溶液中，锂元素与钛元素的物质的量的比为(4～5)：(5～6)，所述造孔剂与所述钛的化合物的质量比为0.2～0.5。造孔剂的量不能太大，否则会大幅度的增大比表面积，难分解的造孔剂也会造成材料的比表面积增大，因为这两种情况都会造成大孔，或者说是介孔的形成，从而会增大比表面积，从而难以提高振实密度。作为本专利技术钛酸锂复合材料的一种改进，步骤d中，烘干温度为50℃～120℃。作为本专利技术钛酸锂复合材料的一种改进，步骤e中的烧结为：将钛酸锂前驱体置于保护气氛下烧结5～15h，其中烧结温度为500～900℃。相对于现有技术，本专利技术的钛酸锂复合材本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种钛酸锂复合材料，其特征在于：所述钛酸锂复合材料是由钛酸锂纳米晶粒原位生长而成的紧密实心的纳米级的棒状钛酸锂颗粒，所述钛酸锂纳米晶粒的直径为5～50nm，所述钛酸锂颗粒的表面包覆有厚度为0.1～2nm的碳层，所述棒状钛酸锂颗粒内部形成有微孔，所述微孔的孔径为0.5nm～2nm；所述钛酸锂颗粒的长度为1～10μm，宽度与高度200nm～500nm，长度与宽度的比值为1～10，高度与宽度的比值为1～5；所述钛酸锂颗粒具有尖晶石结构，且所述钛酸锂的比表面积为0.1～30m2/g，含碳量为0.5％～5wt.％，振实密度为0.7～2.0g/cm3；其制备方法包括如下步骤：a.将钛的化合物加入含有氧化剂的弱碱性溶液，充分搅拌使得氧化剂将钛的化合物氧化完全得到A溶液；b.将稀释剂、含碳有机物以及结构导向剂加入步骤a得到的A溶液中，搅拌合适的时间，得到B溶液；c.将造孔剂以及锂源化合物加入步骤b得到的B溶液中，充分搅拌得到前驱体C溶液；d.适当温度下烘干前驱体C溶液，得到钛酸锂前驱体；e.在合适的温度下烧结步骤d得到的钛酸锂前驱体，得到钛酸锂复合材料。
【技术特征摘要】
1.一种钛酸锂复合材料，其特征在于：所述钛酸锂复合材料是由钛酸锂纳米晶粒原位生长而成的紧密实心的纳米级的棒状钛酸锂颗粒，所述钛酸锂纳米晶粒的直径为5～50nm，所述钛酸锂颗粒的表面包覆有厚度为0.1～2nm的碳层，所述棒状钛酸锂颗粒内部形成有微孔，所述微孔的孔径为0.5nm～2nm；所述钛酸锂颗粒的长度为1～10μm，宽度与高度200nm～500nm，长度与宽度的比值为1～10，高度与宽度的比值为1～5；所述钛酸锂颗粒具有尖晶石结构，且所述钛酸锂的比表面积为0.1～30m2/g，含碳量为0.5％～5wt.％，振实密度为0.7～2.0g/cm3；其制备方法包括如下步骤：a.将钛的化合物加入含有氧化剂的弱碱性溶液，充分搅拌使得氧化剂将钛的化合物氧化完全得到A溶液；b.将稀释剂、含碳有机物以及结构导向剂加入步骤a得到的A溶液中，搅拌合适的时间，得到B溶液；c.将造孔剂以及锂源化合物加入步骤b得到的B溶液中，充分搅拌得到前驱体C溶液；d.适当温度下烘干前驱体C溶液，得到钛酸锂前驱体；e.在合适的温度下烧结步骤d得到的钛酸锂前驱体，得到钛酸锂复合材料。2.如权利要求1所述的钛酸锂复合材料，其特征在于：步骤a中，先将弱碱性溶液、氧化剂及溶剂按照一定的比例混合均匀，得到PH为7-10的混合溶液，再将钛的化合物加入该混合溶液中并搅拌，得到所述A溶液，所述的氧化剂物质的量与所述钛的化合物中的钛元素的物质的量的比例为0.8～1.2。3.如权利要求2所述的钛酸锂复合材料，其特征在于：步骤a中，所述氧化剂包括过氧化氢、过氧化钠、过氧化钾、过氧化钙和过氧化镁中的至少一种；所述弱碱性溶液包括氨水、苯胺和甲胺中的至少一种；所述溶剂包括去离子水...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺艳兵，唐林楷，王拴，王超，游从辉，李宝华，杨全红，康飞宇，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44
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