自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法技术

本发明专利技术属于冶金技术领域，具体涉及一种自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法。本发明专利技术所要解决的技术问题是提供一种自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法，其特征在于：将硝酸锂溶液、燃料和偏钛酸的混合体系加热引燃并燃烧，燃烧结束后得到蓬松泡沫状粉料，然后蓬松泡沫状粉料在400～550℃进行热处理，得到Li4Ti5O12粉体颗粒。本发明专利技术方法以硝酸锂作为锂源和氧化剂，偏钛酸为钛源，燃料为还原剂，反应过程中产生高温并释放大量气体，不仅能够促进晶体的结晶，获得结晶度良好的晶体，同时抑制晶体的生长和团聚，得到粒度细小的钛酸锂纳米粉体。

Preparation of Lithium Titanate by Self-propagating Solution Combustion

The invention belongs to the field of metallurgical technology, in particular to a method for preparing lithium titanate by self-propagating solution combustion. The technical problem to be solved by the invention is to provide a method for preparing lithium titanate by self propagating solution combustion, which is characterized by that the mixture system of lithium nitrate solution, fuel and meta titanic acid is heated and ignited and ignited. After the combustion is finished, fluffy foamed powder is obtained, and the fluffy foamed powder is heat-treated at 400~550 degrees C to obtain Li4Ti5O12 powder particles. The method uses lithium nitrate as lithium source and oxidant, metatitanic acid as titanium source and fuel as reductant, produces high temperature and releases a large amount of gas in the reaction process, which can not only promote crystal crystallization, obtain crystalline with good crystallinity, but also inhibit crystal growth and agglomeration, and obtain lithium titanate nano-powder with fine particle size.

【技术实现步骤摘要】
自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法
本专利技术属于冶金
，具体涉及一种自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法。
技术介绍
锂离子电池的负极材料以碳材料为主，但因碳材料存在一系列诸如析出枝晶锂而引发安全问题、释放能量的速度不够快、不适合需要瞬间强电流的设备等缺点严重限制了锂离子电池的发展。与碳材料相比，尖晶石钛酸锂在充放电过程中结构几乎不发生变化，被称为“零应变材料”，具有安全性高、循环性能好、库仑效率高、不与电解液反应等优点，此外在低温环境及快速充放电方面性能优良。在国际上，美国奥钛纳米科技公司、日本石原产业株式会社在钛酸锂材料研究及产业化方面比较领先，在国内，则以珠海银隆新能源有限公司为首。因此开展以钛酸锂作为锂离子电池负极材料的研究具有重大意义。钛酸锂的制备方法主要包括固相法、液相法和溶胶-凝胶法。固相合成法的原理和工艺大同小异，一般都是将钛源和锂源混合后经过高温烧结得到钛酸锂，也是目前合成钛酸锂的首选方法，其中涉及到的钛源主要为TiO2(分为无定形、锐钛矿型、板钛矿型、金红石型)、TiOSO4、Ti(OH)4，锂源主要为Li2CO3、LiOH、LiNO3、醋酸锂或者多种混合物，目前研究最多的是以锐钛矿型的TiO2和Li2CO3为主要原料制备钛酸锂。固相法具有工艺简便、成本低、易于工业化生产等优点，但粉体原料混合均匀程度有限、扩散过程难以顺利进行、要求较高的热处理温度和较长的热处理时间、能耗大、产物坚硬只能磨到微米级、材料电化学性能不易控制等缺点。与固相反应法相比，水热合成法具有化学均匀性好、产物粒径小和反应条件温和等优势，是制备Li4Ti5O12较为常用的方法，一般以钛酸异丙酯、钛酸丁酯等为钛源，以LiOH、Li2CO3为锂源，在含有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，一定压力和温度下条件反应一段时间，制备得到纳米级Li4Ti5O12材料的方法。通过对水热法制备环境及反应条件的控制，可以制备出纳米片状、花瓣状、介孔球型及锯齿状小粒径Li4Ti5O12，不同形貌的Li4Ti5O12，能够在一定的程度上影响其电化学性能。但是水热法存在操作较复杂、反应产物少、条件难以控制、不易于工业化生产等缺点。溶胶-凝胶法制备纳米钛酸锂的典型工艺包括：前驱体的制备(锂盐与钛源互溶)、溶液-溶胶-凝胶化转变、湿凝胶的干燥、干凝胶的煅烧。溶胶-凝胶法的优点是合成温度低，反应物可在原子或分子水平均匀混合，得到的产物纯度高、粒径小、尺寸分布均匀，具有较高的比表面积，因而表现出极好的循环性能和倍率性能。但其致命的缺点在于生产工艺复杂、原材料成本高、周期比较长且晶态产物易发生团聚。除此之外，如微波法、燃烧法、熔盐法、喷雾干燥法等基本都是在现有的方法上做了一些改进和拓展。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法。该方法包括以下步骤：将硝酸锂溶液、燃料和偏钛酸的混合体系加热引燃并燃烧，燃烧结束后得到蓬松泡沫状粉料，然后蓬松泡沫状粉料在400～550℃进行热处理，得到Li4Ti5O12粉体颗粒。其中，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述的燃料为柠檬酸、尿素、甘氨酸、谷氨酸或乙二醇中的至少一种。其中，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述硝酸锂溶液浓度为30～90g/L。其中，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述硝酸锂、偏钛酸、燃料三者摩尔比为4﹕5～6﹕4～40。进一步的，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述硝酸锂与偏钛酸摩尔比为4﹕5.5。进一步的，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述硝酸锂与燃料摩尔比为1﹕1～5。其中，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述加热温度为200～400℃。优选的，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述加热温度为300～350℃。具体的，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述燃烧时间为5～15min。进一步的，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述燃烧时间为10～15min。优选的，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述热处理温度为450～500℃。具体的，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述热处理时间为4～12h。进一步的，上述自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法中，所述热处理时间为6～8h。本专利技术方法以硝酸锂作为锂源和氧化剂，偏钛酸为钛源，燃料为还原剂，反应过程中产生高温并释放大量气体，不仅能够促进晶体的结晶，获得结晶度良好的晶体，同时抑制晶体的生长和团聚，得到粒度细小的纳米粉体。本专利技术方法反应过程只需提供较低的引燃能量即可，主体热量由反应自身所提供，属于强放热、自蔓延，因此反应所需的能量明显低于理论能量，节约了大量能量，且后续热处理温度低。本专利技术方法反应属于强氧化还原反应，反应迅速快捷，只需要15min即可，大大的节省了反应时间。本专利技术产物纯度高，粒度较细且分布范围窄。本专利技术方法绿色环保、步骤简单、成本低。附图说明图1本专利技术方法所得产品的XRD图；图2本专利技术方法所得产品的SEM图。具体实施方式本专利技术自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法，包括以下步骤：1)混合：称取无水硝酸锂溶于去离子水中配制成硝酸锂溶液，不断搅拌的过程中依次向硝酸锂溶液中加入燃料、偏钛酸(H4TiO4或TiO2·2H2O)；其中，硝酸锂、偏钛酸、燃料三者的混合摩尔比为4﹕5～6﹕4～40，燃料为柠檬酸、尿素、甘氨酸、谷氨酸或乙二醇中的至少一种；2)燃烧：将步骤1所得溶液搅拌均匀转入坩埚中，将坩埚置于预先保温的马弗炉，溶液在马弗炉中迅速起火燃烧，马弗炉预热温度为200～400℃(200℃为燃料最低起燃点)，燃烧时间5～15min，得到蓬松泡沫状粉料；3)热处理：待步骤2反应结束后，将马弗炉温度升至400～550℃保温4～12h，自然冷却至室温，得到粒度分布范围为30～300nm的Li4Ti5O12粉体颗粒。图1为XRD图谱，从图1中可以看出，制备得到了Li4Ti5O12；图2为SEM照片，从图2中可以看出，所得Li4Ti5O12粒度较细，均一性好。本专利技术方法中，由于温度过低达不到燃点，温度过高又会增加能耗，所以优选控制混合体系保温温度为200～400℃。本专利技术方法中，由于温度过低不能得到晶体产物，温度过高又会增加能耗，所以优选控制热处理温度为400～550℃。本专利技术方法为溶液燃烧法，硝酸锂既为锂源又为氧化剂，偏钛酸为钛源，燃料为还原剂，反应物发生氧化还原反应，反应的过程给予一定的辅助热，当反应物达到放热反应的着火点时，溶液就会被点燃并发生持续的自蔓延燃烧，随后反应由燃烧放出的热量来维持从而得到产物，具体反应原理如下(以尿素为燃料举例)：CO(NH2)2+H2O→CO2+2NH3(1)H4TiO4→TiO2+2H2O(2)12LiNO3+15H4TiO4+10CO(NH2)2→3Li4Ti5O12+16N2+10CO2+50H2O(3)12LiNO3+15TiO2+10CO(NH2)2→3Li4Ti5O12+16N2+10CO2+20H2O(4)硝酸锂作为氧化剂、尿素作为还原剂，反应方程(3)(4)为主反应，(1)(2)为副反应，钛源采用偏钛酸而不采用二氧化钛是因为在反应的过程中偏钛酸发生自分解，水分蒸发的过程中起到了分散反应物的作用，促进晶体的结晶，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法，其特征在于：包括以下步骤：将硝酸锂溶液、燃料和偏钛酸的混合体系加热引燃并燃烧，燃烧结束后得到蓬松泡沫状粉料，然后蓬松泡沫状粉料在400～550℃进行热处理，得到Li4Ti5O12粉体颗粒。

【技术特征摘要】
1.自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法，其特征在于：包括以下步骤：将硝酸锂溶液、燃料和偏钛酸的混合体系加热引燃并燃烧，燃烧结束后得到蓬松泡沫状粉料，然后蓬松泡沫状粉料在400～550℃进行热处理，得到Li4Ti5O12粉体颗粒。2.根据权利要求1所述的自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法，其特征在于：所述的燃料为柠檬酸、尿素、甘氨酸、谷氨酸或乙二醇中的至少一种。3.根据权利要求1所述的自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法，其特征在于：所述硝酸锂溶液浓度为30～90g/L。4.根据权利要求1所述的自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法，其特征在于：所述硝酸锂、偏钛酸、燃料三者摩尔比为4﹕5～6﹕4～40。5.根据权利要求4所述的自蔓延溶液燃烧制备钛酸锂的方法，其特征在于：所述硝酸锂与偏钛酸摩...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘波，彭穗，杨晓，李道玉，
申请(专利权)人：成都先进金属材料产业技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51