一种氧缺位型钛酸锂复合材料及其制备方法、钛酸锂电池技术

本发明专利技术公开了一种氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法，该方法包括：将纯的钛酸锂或掺杂金属元素M的钛酸锂置于有机气体和惰性气体的混合气体气氛中，在700~1000℃下保温5min~24h，冷却，得氧缺位型钛酸锂复合材料；所述金属元素M选自铁、钴、镍、钼、锆、铜、锌、镁、铝、硅、稀土元素中的至少一种；所述有机气体为具有七个碳原子及七个碳原子以下的烷烃、烯烃、炔烃或气态醇类中的一种，有机气体占混合气体总体积的5~95%。本发明专利技术还公开了上述方法制备得到的氧缺位型钛酸锂复合材料，以及采用上述氧缺位型钛酸锂复合材料的钛酸锂电池。

【技术实现步骤摘要】
一种氧缺位型钛酸锂复合材料及其制备方法、钛酸锂电池
本专利技术属于锂离子电池领域，具体涉及一种氧缺位型钛酸锂复合材料及其制备方法，以及采用该氧缺位型钛酸锂复合材料的钛酸锂电池。
技术介绍
二次电池材料中，钛酸锂材料在锂离子嵌入脱出的过程中晶体结构能够保持高度的稳定性，体积几乎不发生变化，属零应变材料，从而具有优良的循环性能和平稳的放电电压；钛酸锂材料脱嵌锂电位为1.55V，不会引起枝晶锂的析出，安全性高；钛酸锂材料具有三维的锂离子传输通道，锂离子扩散系数（为2*10-8cm2/s）比碳负极高一个数量级等，可实现多次快速充放电，因此钛酸锂材料是一种非常重要的电极材料。但是，钛酸锂材料本身导电性差（导电率10-13S/cm），大电流充放电时易产生较大的极化，限制了其高倍率充放电性能。针对这一缺点，目前进行了大量的引入石墨烯、碳纳米管等碳烯六环结构导电材料的研究工作。中国专利技术专利CN201010531928.4通过引入氧化石墨烯和有机碳源（吡咯单体或其衍生物、苯胺单体或其衍生物、噻吩单体或其衍生物中一种以上）制备了钛酸锂复合材料；中国专利技术专利CN201310105495.X通过引入浓硫酸法石墨烯和碳源（蔗糖、葡萄糖、柠檬酸、苯胺及聚氯乙烯、聚偏氟乙烯高分子树脂中的一种）制备了钛酸锂复合材料。上述钛酸锂复合材料性能有一定的改善，但制备过程引入了生产过程有严重污染的氧化石墨烯及其石墨烯，且工艺过程苛刻，导电材料不易与钛酸锂牢固结合，难以形成稳定均匀的材料。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种工艺简单环保、节能降耗的氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法。本专利技术所要解决的技术问题是，还提供了按照前述方法制备得到的氧缺位型钛酸锂复合材料。本专利技术所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本专利技术是一种氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法，其特点是，该方法包括：将纯的钛酸锂或掺杂金属元素M的钛酸锂置于有机气体和惰性气体的混合气体气氛中，在700~1000℃下保温5min~24h，冷却，得氧缺位型钛酸锂复合材料；所述金属元素M选自铁、钴、镍、钼、锆、铜、锌、镁、铝、硅、稀土元素中的至少一种；所述有机气体为具有七个碳原子及七个碳原子以下的烷烃、烯烃、炔烃或气态醇类中的一种，有机气体占混合气体总体积的5~95%。本专利技术所述的纯的钛酸锂或掺杂金属元素M的钛酸锂为市售的或现有技术中公开的任何一种可以应用于本专利技术方法的钛酸锂。本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。本专利技术所述的氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法中，所述的纯的钛酸锂按如下方法制备：按照锂与钛的摩尔比为3~6:5称取锂源和钛源，将锂源和钛源直接混合，得混合物；或将锂源、钛源分散于去离子水或有机溶剂中，搅拌均匀，喷雾干燥处理，得混合粉；将上述混合物或混合粉置于600~1200℃下，在空气中煅烧2~24h，即得钛纯的钛酸锂。进一步优选地，所述的纯的钛酸锂按如下方法制备：按照锂与钛的摩尔比为3.5~5:5称取锂源和钛源，将锂源和钛源直接混合，得混合物；或将锂源、钛源分散于去离子水或有机溶剂中，搅拌均匀，喷雾干燥处理，得混合粉；将上述混合物或混合粉置于800~1000℃下，在空气中煅烧6~15h，即得纯的钛酸锂。本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。本专利技术所述的氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法中，所述的掺杂金属元素M的钛酸锂按如下方法制备：按照锂、钛、金属M的摩尔比为3~6:5:0.01~10称取锂源、钛源、以及金属元素M的盐类或M的氧化物，直接混合，得混合物；或将锂源、钛源，以及金属元素M的盐类或M的氧化物分散于去离子水或有机溶剂中，搅拌均匀，喷雾干燥处理，得混合粉；将上述混合物或混合粉置于600~1200℃下，在空气中煅烧2~24h，即得掺杂金属元素M的钛酸锂。进一步优选地，所述的掺杂金属元素M的钛酸锂按如下方法制备：按照锂、钛、金属M的摩尔比为3.5~5:5:0.1~5称取锂源、钛源、以及金属元素M的盐类或M的氧化物，直接混合，得混合物；或将锂源、钛源，以及金属元素M的盐类或M的氧化物分散于去离子水或有机溶剂中，搅拌均匀，喷雾干燥处理，得混合粉；将上述混合物或混合粉置于850~1100℃下，在空气中煅烧8~20h，即得掺杂金属元素M的钛酸锂。本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。本专利技术所述的氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法，在制备纯的钛酸锂和掺杂金属元素M的钛酸锂过程中，所述的锂源为碳酸锂、硝酸锂、氢氧化锂、氯化锂、硫酸锂、乙酸锂、磷酸锂、氟化锂、草酸锂、硫化锂中的一种；所述的钛源为二氧化钛、钛酸四丁酯、钛酸、异丙醇钛、草酸氧钛中的一种。本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。本专利技术所述的氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法，在制备纯的钛酸锂和掺杂金属元素M的钛酸锂过程中，所述的有机溶剂为乙醇或异丙醇。本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。本专利技术所述的氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法中，所述的惰性气体为氮气、氦气、氩气中的一种。本专利技术所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现。本专利技术所述的氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法中，所述的混合气体的流速为0.1~100m/s。优选地，所述的混合气体的流速为8~75m/s。进一步优选地，所述的混合气体的流速为30~60m/s。本专利技术还提供了一种氧缺位型钛酸锂复合材料，该氧缺位型钛酸锂复合材料是按照上述方法制备得到的。经过电化学测试，本专利技术氧缺位型钛酸锂复合材料显示出优异的容量和倍率性能以及良好的循环稳定性能。本专利技术还提供了一种钛酸锂电池，包括负极，所述负极的材料为上述氧缺位型钛酸锂复合材料。与现有技术相比，本专利技术以含碳有机气体，即具有七个碳原子及七个碳原子以下的烷烃、烯烃、炔烃或气态醇类为碳源，其可在高温状态下与钛酸锂或掺杂金属元素的钛酸锂的表面发生键合。经高温焙烧后，含碳有机气体裂解生成的氢气和碳，氢气使钛酸锂原位缺氧，碳元素直接沉积在钛酸锂颗粒表面，形成氧缺位和碳掺杂/包覆的钛酸锂复合材料，省去了添加碳管、石墨烯等昂贵导电材料及其后续制备钛酸锂复合材料的复杂工艺过程，工艺简单环保，节能降耗，适合大规模生产。本专利技术方法制备得到的氧缺位型钛酸锂复合材料具有高导电性和高锂离子迁移数，适用于制备高性能钛酸锂二次电池，而且，通过在钛酸锂微粒中掺杂金属，可以进一步提高氧缺位型钛酸锂复合材料的导电性能，大大提高其充放电倍率。附图说明图1采用本专利技术实施例20氧缺位型钛酸锂复合材料所做的电池性能测试结果；图2采用本专利技术实施例21氧缺位型钛酸锂复合材料所做的电池性能测试结果；图3采用本专利技术实施例22氧缺位型钛酸锂复合材料所做的电池性能测试结果；图4采用本专利技术实施例23氧缺位型钛酸锂复合材料所做的电池性能测试结果；图5采用本专利技术实施例24氧缺位型钛酸锂复合材料所做的电池性能测试结果；图6是采用本专利技术实施例25氧缺位型钛酸锂复合材料所做的电池性能测试结果。具体实施方式以下进一步描述本专利技术的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本专利技术，而不构成对其权利的限制。实施例1，一种氧缺位型钛酸锂复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：将纯的钛酸锂或掺杂金属元素M的钛酸锂置于有机气体和惰性气体的混合气体气氛中，在700~1000℃下保温5min~24h，冷却，得氧缺位型钛酸锂复合材料；所述金属元素M选自铁、钴、镍、钼、锆、铜、锌、镁、铝、硅、稀土元素中的至少一种；所述有机气体为具有七个碳原子及七个碳原子以下的烷烃、烯烃、炔烃或气态醇类中的一种，有机气体占混合气体总体积的5~95%。

【技术特征摘要】
1.一种氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括：将纯的钛酸锂或掺杂金属元素M的钛酸锂置于有机气体和惰性气体的混合气体气氛中，在700~1000℃下保温5min~24h，冷却，得氧缺位型钛酸锂复合材料；所述金属元素M选自铁、钴、镍、钼、锆、铜、锌、镁、铝、硅、稀土元素中的至少一种；所述有机气体为具有七个碳原子及七个碳原子以下的烷烃、烯烃、炔烃或气态醇类中的一种，有机气体占混合气体总体积的5~95%。2.根据权利要求1所述的氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法，其特征在于，所述的纯的钛酸锂按如下方法制备：按照锂与钛的摩尔比为3~6:5称取锂源和钛源，将锂源和钛源直接混合，得混合物；或将锂源、钛源分散于去离子水或有机溶剂中，搅拌均匀，喷雾干燥处理，得混合粉；将上述混合物或混合粉置于600~1200℃下，在空气中煅烧2~24h，即得纯的钛酸锂。3.根据权利要求1所述的氧缺位型钛酸锂复合材料的制备方法，其特征在于，所述的掺杂金属元素M的钛酸锂按如下方法制备：按照锂、钛、金属M的摩尔比为3~6:5:0.01~10称取锂源、钛源、以及金属元素M的盐类或M的氧化物，直接混合，得混合物；或将锂源、钛源，以及金属元素M的盐类或M的氧化物分散于去离子水或有机溶剂中，搅拌均匀，喷雾干燥处理，得混合粉；将上述混合物或混合粉置于600~1...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永，刘云龙，刘高侠，陈冠华，
申请(专利权)人：刘高侠，
类型：发明
国别省市：江苏,32