一种碳包覆钛酸锂负极材料及其制备方法技术

一种碳包覆钛酸锂负极材料及其制备方法，属于锂电池电极材料制备技术领域。本发明专利技术先合成钛酸锂，然后与半胱氨酸均匀混合，在惰性气氛保护下焙烧得到碳包覆的钛酸锂负极材料。本发明专利技术通过包覆氮、硫掺杂的碳，提高了导电性，赋予钛酸锂材料更加优异的循环倍率性能和电化学稳定性。所得钛酸锂负极材料形貌为不规则多面体粒子，表面包覆了氮、硫共掺杂的碳层，相对于纯钛酸锂，倍率性能和循环稳定性得到了大幅度提高。实验表明，0.2C倍率下碳包覆钛酸锂比容量为170mAh g‑1左右，而钛酸锂比容量在140mAh g‑1左右；随着倍率的增加，碳包覆钛酸锂的比容量均比钛酸锂高。

Carbon clad lithium titanate negative electrode material and preparation method thereof

The invention relates to a carbon-coated lithium titanate anode material and a preparation method thereof, belonging to the technical field of preparing electrode materials for lithium batteries. The invention synthesizes lithium titanate firstly, then mixes with cysteine evenly, calcines carbon-coated lithium titanate anode material under the protection of inert atmosphere. The invention improves the conductivity by coating carbon doped with nitrogen and sulfur, and endows the lithium titanate material with more excellent cyclic ratio performance and electrochemical stability. Compared with pure lithium titanate, the lithium titanate cathode material with irregular polyhedron particles and nitrogen and sulfur co-doped carbon layer was coated on the surface of the cathode material. The experimental results show that the specific capacity of carbon-coated lithium titanate is about 170mAh g_1 at 0.2C ratio, while that of lithium titanate is about 140 mAh g_1. With the increase of the ratio, the specific capacity of carbon-coated lithium titanate is higher than that of lithium titanate.

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆钛酸锂负极材料及其制备方法
本专利技术属于锂电池电极材料制备
，具体涉及一种碳包覆钛酸锂负极材料及其制备方法。
技术介绍
随着能源危机和日益凸显的环境问题，新型绿色能源成为研究热点。锂离子电池具有寿命长，能量密度高，无记忆效应的优点，在便携电子设备，电动汽车，大型储能电站等领域有着广泛的应用前景。尖晶石钛酸锂(Li4Ti5O12)作为新一代锂离子电池负极材料，具有锂离子脱嵌结构零应变，嵌锂电位高(1.55VvsLi/Li+)，放电电压平台稳，循环稳定性优异，安全性高等特点。但是钛酸锂是一种近乎绝缘的材料，电子导电性差，离子传导率不高，导致其高倍率性能差。目前，常用的改性方法有体相元素掺杂，控制晶粒尺寸，包覆导电性物质等方法。为了改善钛酸锂负极材料的高倍率性能，本专利技术用半胱氨酸与钛酸锂混合焙烧，得到表面包覆氮、硫共掺杂的导电性碳的钛酸锂负极材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对当前技术中存在的钛酸锂导电率低，高倍率性能差的缺点，提供一种碳包覆钛酸锂负极材料及其制备方法。该方法制备的锂电池负极材料，具有高倍率性能好，循环性能好，充放电效率高等特点。本专利技术所述的一种碳包覆钛酸锂负极材料的制备方法，其步骤如下：(1)将锂化合物和钛化合物加入到无水乙醇中，在室温下搅拌(100～300rpm)8～24h；(2)步骤(1)得到的溶液在强力搅拌(400～1000rpm)下加入去离子水，再继续搅拌1～30min；(3)将步骤(2)得到的液体在140～220℃下水热反应24～48h，反应完成后冷却至室温，将固体产物进行离心、无水乙醇洗涤、干燥；(4)将步骤(3)得到的产物在空气中焙烧得到钛酸锂；(5)将步骤(4)得到的钛酸锂与半胱氨酸混合均匀，在保护气氛中焙烧得到本专利技术所述的碳包覆钛酸锂负极材料。步骤(1)中，所述锂化合物为氢氧化锂、氯化锂、乙酸锂、碳酸锂、草酸锂、氧化锂中的一种，优选为氢氧化锂。步骤(1)中，所述钛化合物为钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、硫酸氧钛中的一种，优选为钛酸四丁酯、钛酸四乙酯。步骤(1)中锂离子和钛离子的摩尔比为0.78～0.92：1，无水乙醇中锂离子的浓度为0.16～0.2molL-1。步骤(2)中，去离子水与无水乙醇的体积比为1～1.25：1。步骤(3)中，是在60～90℃空气中干燥4～24h。步骤(4)的焙烧温度为500～700℃，焙烧时间为5～7h，焙烧升温速率为2～20℃min-1。步骤(5)的钛酸锂与半胱氨酸的质量比为1～5：1。步骤(5)的保护气氛为氩气、氮气、氩-氢混合气、氮-氢混合气中的一种。步骤(5)的焙烧温度为500～700℃，焙烧时间为2～8h，焙烧升温速率为2～10℃min-1，得到本专利技术所述的碳包覆钛酸锂负极材料。本专利技术所述的一种碳包覆钛酸锂负极材料，其由上述方法制备得到。本专利技术的优点在于：通过包覆氮、硫掺杂的碳，提高了导电性，赋予钛酸锂材料更加优异的循环倍率性能和电化学稳定性。所得钛酸锂负极材料形貌为不规则多面体粒子，表面包覆了氮、硫共掺杂的碳层，相对于纯钛酸锂，倍率性能和循环稳定性得到了大幅度提高。附图说明图1：本专利技术实施例1制备的碳包覆钛酸锂的X射线衍射(XRD)谱图，产物峰位置与标准谱图PDF#49-0207完全对应，说明本专利技术合成的样品为钛酸锂纯相。图2：本专利技术实施例2制备的碳包覆钛酸锂的SEM图，样品的形貌为不规则多面体粒子。图3：本专利技术实施例1制备的碳包覆钛酸锂与钛酸锂的充放电倍率对比图，0.2C倍率下碳包覆钛酸锂比容量为170mAhg-1左右，而钛酸锂比容量在140mAhg-1左右；随着倍率的增加，碳包覆钛酸锂的比容量均比钛酸锂高，最后将倍率设回0.2C，碳包覆钛酸锂的比容量仍为170mAhg-1左右，且高于钛酸锂。说明碳包覆钛酸锂具有比纯钛酸锂更优异的倍率性质。图4：本专利技术实施例5制备的碳包覆钛酸锂在1C倍率下的循环性能曲线，碳包覆钛酸锂在1C倍率下连续循环100次，容量损失率不足5％，说明碳包覆钛酸锂具有优异的电化学稳定性。具体实施方式结合以下实例进一步阐述本专利技术，但不仅限这些例子。实施例1(1)称取0.212g氢氧化锂加入到30mL无水乙醇中，在室温下搅拌10min，量取2.1mL钛酸四丁酯加入到上述溶液中，在室温下搅拌(300rpm)15h；(2)步骤(1)得到的溶液处于强力搅拌状态下(500rpm)，加入35mL去离子水，搅拌3min；(3)将步骤(2)得到的液体在180℃下水热反应35h；反应完成后冷却至室温，将固体产物进行离心、无水乙醇洗涤多次，再在80℃空气中干燥10h；(4)将步骤(3)得到的产物在空气中600℃焙烧5.5h，得到钛酸锂；(5)将步骤(4)得到的钛酸锂与半胱氨酸以质量比2.5:1混合均匀，在氮气气氛的管式炉中，以5℃/min的升温速率在600℃下焙烧8h，得到0.394g本专利技术所述的碳包覆钛酸锂负极材料。实施例2(1)称取0.212g氢氧化锂加入到30mL无水乙醇中，搅拌30min，量取2.1mL钛酸四丁酯加入到上述溶液中，在室温下搅拌(200rpm)11h；(2)步骤(1)得到的溶液处于强力搅拌状态下(600rpm)，加入30mL去离子水，搅拌30min；(3)将步骤(2)得到的液体在180℃下水热反应36.5h；反应完成后冷却至室温，将固体产物进行离心、无水乙醇洗涤多次，再在80℃空气中干燥24h；(4)将步骤(3)得到的产物在空气中610℃焙烧6.2h，得到钛酸锂；(5)将步骤(4)得到的钛酸锂与半胱氨酸以质量比5:1混合均匀，在氩气气氛的管式炉中，以10℃/min的升温速率在600℃下焙烧3h，得到0.383g本专利技术所述的碳包覆钛酸锂负极材料。实施例3(1)量取2.68mL钛酸四丁酯加入到30mL无水乙醇中，搅拌5min，称取0.281g氢氧化锂加入到上述溶液中，在室温下搅拌(250rpm)12.5h；(2)步骤(1)得到的溶液处于强力搅拌状态下(800rpm)，加入32mL去离子水，搅拌1min；(3)将步骤(2)得到的液体在180℃下水热反应36h；反应完成后冷却至室温，将固体产物进行离心、无水乙醇洗涤多次，再在60℃空气中干燥5h；(4)将步骤(3)得到的产物在空气中620℃焙烧6.5h，得到钛酸锂；(5)将步骤(4)得到的钛酸锂与半胱氨酸以质量比4:1混合均匀，在氩气和氢气(氢气体积分数为5％)混合气氛的管式炉中，以3℃/min的升温速率在600℃下焙烧4.5h，得到0.534g本专利技术所述的碳包覆钛酸锂负极材料。实施例4(1)量取2.68mL钛酸四丁酯加入到35mL无水乙醇中，搅拌5min，称取0.281g氢氧化锂加入到上述溶液中，在室温下搅拌(200rpm)20h；(2)步骤(1)得到的溶液处于强力搅拌状态下(600rpm)，加入40mL去离子水，搅拌2min；(3)将步骤(2)得到的液体在180℃下水热反应38h；反应完成后冷却至室温，将固体产物进行离心、无水乙醇洗涤多次，再在70℃空气中干燥15.5h；(4)将步骤(3)得到的产物在空气中590℃焙烧6.5h，得到钛酸锂；(5)将步骤(4)得到的钛酸锂与半胱氨酸以质量比3.5:1混合均匀，在氩气气氛的管式炉中，以6℃本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳包覆钛酸锂负极材料的制备方法，其步骤如下：(1)将锂化合物和钛化合物加入到无水乙醇中，在室温下搅拌8～24h；(2)步骤(1)得到的溶液在强力搅拌下加入去离子水，再继续搅拌1～30min；(3)将步骤(2)得到的液体在140～220℃下水热反应24～48h，反应完成后冷却至室温，将固体产物进行离心、无水乙醇洗涤、干燥；(4)将步骤(3)得到的产物在空气中焙烧得到钛酸锂；(5)将步骤(4)得到的钛酸锂与半胱氨酸混合均匀，在保护气氛中焙烧得到碳包覆钛酸锂负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆钛酸锂负极材料的制备方法，其步骤如下：(1)将锂化合物和钛化合物加入到无水乙醇中，在室温下搅拌8～24h；(2)步骤(1)得到的溶液在强力搅拌下加入去离子水，再继续搅拌1～30min；(3)将步骤(2)得到的液体在140～220℃下水热反应24～48h，反应完成后冷却至室温，将固体产物进行离心、无水乙醇洗涤、干燥；(4)将步骤(3)得到的产物在空气中焙烧得到钛酸锂；(5)将步骤(4)得到的钛酸锂与半胱氨酸混合均匀，在保护气氛中焙烧得到碳包覆钛酸锂负极材料。2.如权利要求1所述的一种碳包覆钛酸锂负极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述锂化合物为氢氧化锂、氯化锂、乙酸锂、碳酸锂、草酸锂或氧化锂中的一种。3.如权利要求1所述的一种碳包覆钛酸锂负极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述钛化合物为钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯或硫酸氧钛中的一种。4.如权利要求1所述的一种碳包覆钛酸锂负极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中锂离子和钛离子的摩尔比为0.78～0.92：...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宗弢，郭欣，王润伟，倪玲，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22