一种共掺杂钛酸锂负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种锂离子动力电池共掺杂钛酸锂负极材料及其制备方法，该方法是采用高温固相法制备了Sn和F元素共掺杂的钛酸锂，而后采用喷雾干燥法进行再次造粒，有效地提高了钛酸锂的初始容量以及循环稳定性。

A Co doped lithium titanate anode material and its preparation method

The invention provides a lithium ion power battery Co doped lithium titanate negative electrode material and a preparation method thereof. The method is to prepare Sn and F Co doped lithium titanate by high-temperature solid-state method, and then spray drying method for granulation again, thus effectively improving the initial capacity and cycling stability of lithium titanate.

【技术实现步骤摘要】
一种共掺杂钛酸锂负极材料及其制备方法
本专利技术涉及锂离子动力电池负极材料的
，具体涉及一种锂离子动力电池共掺杂钛酸锂负极材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子动力电池具有循环寿命长和能量密度高等优点，被广泛应用于新能源汽车领域，但目前由于其续航能力弱、安全性差等问题一直是新能源领域中较为重点研究的技术方向。尖晶石钛酸锂被作为一种备受关注的负极材料，其具有如下优点：1)钛酸锂在脱嵌锂前后几乎零应变；2)嵌锂电位较高(1.55V)，能有效避免锂枝晶产生，安全性较高；3)具有很平坦的电压平台；4)化学扩散系数和库伦效率高。F是一种较理想的阴离子掺杂元素，其掺杂到钛酸锂中，能够顺利进入O位，使得一部分Ti4+转化为Ti3+，从而多出一个电子，进而导致材料的导电性能升高，达到提高电化学性能的目的。此外，Sn则更容易进入Ti的16d八面体占位则更有利于稳定尖晶石的结构，从而能够提高电极材料的容量和循环性能。而现有技术中，未见有上述元素同时掺杂钛酸锂的报道，基于此，本专利技术立足于提高钛酸锂的电化学性能，采用在钛酸锂中共掺杂Sn和F元素，从而有效地提高了钛酸锂的初始容量以及循环稳定性。
技术实现思路
本专利技术提供一种锂离子动力电池负极材料及其制备方法，该方法是采用高温固相法制备了Sn和F元素共掺杂的钛酸锂，而后采用喷雾干燥法进行再次造粒，有效地提高了钛酸锂的初始容量以及循环稳定性。为实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种共掺杂钛酸锂负极材料，所述负极材料为双元素共掺杂的钛酸锂，其中掺杂元素选自过渡金属元素和卤素中的至少两种元素。进一步地，其化学结构式为：Li4Ti5-xSnxO12-yFy，其中，0＜x≤0.3，0＜y≤0.3。进一步地，所述负极材料的结构式优选为Li4Ti4.9Sn0.1O11.7F0.3。进一步地，所述负极材料的振实密度为1.0-2.0g/cm3，平均粒径为50-300nm。本专利技术另一方面提供一种共掺杂钛酸锂负极材料的制备方法，包括如下步骤：a、按照摩尔比n(Li)∶n(Ti)∶n(Sn)∶n(F)＝4∶(5-x)∶x∶y分别称取一定量的锂源、钛源、锡源和氟源，将所称取的化合物混合均匀后，在室温下将其置于球磨机中球磨5-12h，其中，球料比为4-8，球磨机运转频率为45-50Hz，其中，0＜x≤0.3，0＜y≤0.3；b、将步骤(a)中球磨后的产物取出，将其置于管式炉中进行两段煅烧，先将炉温升至400-600℃煅烧，保温时间为2-5h，而后升高至700-900℃煅烧，保温时间为3-8h，冷却至室温，得到共掺杂的钛酸锂；c、将步骤(b)中煅烧后的产物取出进行二次球磨，在室温下将其再次置于球磨机中球磨12-24h，其中，球料比为4-8，球磨机运转频率为40-45Hz；d、称取一定量步骤(c)制得的共掺杂的钛酸锂，加入去离子水，配制成浓度为0.1-0.3g/mL的浆料，进行球磨后，将所述浆料进行喷雾干燥，得到粒径均匀的粉末，该粉末即为Li4Ti5-xSnxO12-yFy。进一步地，所述锂源选自醋酸锂、碳酸锂、氢氧化锂中的至少一种，所述钛源选自锐钛矿二氧化钛，所述锡源选自二氧化锡，所述氟源选自氟化锂，所述煅烧时的气氛选自空气或氮气，所述煅烧时的升温速率为5-8℃/min。进一步地，所述喷雾干燥的进口温度为150-220℃，出口温度为80-100℃，压力为0.1-0.3MPa。进一步地，所述步骤(d)中的浆料的浓度优选为0.2-0.28g/mL。本专利技术另一方面提供了一种锂离子动力电池负极，其特征在于，其包括铜箔和涂覆在铜箔上的负极浆料，所述负极浆料包括上述共掺杂钛酸锂负极材料。本专利技术另一方面提供了一种锂离子动力电池，其包括前述的锂离子动力电池负极。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)本专利技术制备的共掺杂钛酸锂负极材料为Sn在Ti位上的掺杂以及F在O位的掺杂，该掺杂方式能够有效发挥出Sn和F的性能，提高尖晶石结构的稳定性，同时Sn能够比较容易地进入Ti位的16d位置进行掺杂，两元素的共掺杂使所得负极材料的初始容量以及循环稳定性显著提高。同时，申请人经大量试验发现x和y的取值范围均在(0-0.3]内，超过其范围后，该负极材料的电化学性能有所下降。(2)本专利技术采用最后采用喷雾干燥法再次造粒，在经过喷雾干燥后，所得粒径大小更加均匀，且为球状，粒径大小均一，振实密度高。且在喷雾干燥前预先将浆料进行球磨，同时控制浆料浓度，使得产物的振实密度更高，性能更好。(3)在制备过程中，本专利技术采用两次球磨，两次煅烧工艺，因此所制备的掺杂后的磷酸钒锂颗粒大小均一，且球磨的频率对其平均粒径影响明显。(4)该材料制备工艺简单，所得材料的电化学性能优异，具有良好的应用前景。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合具体实施例来进一步阐述本专利技术，以下所述是本专利技术的优选实施方式，应当指出，本专利技术的内容不局限于以下实施例。实施例1按照摩尔比n(Li)∶n(Ti)∶n(Sn)∶n(F)＝4∶4.9∶0.1∶0.3分别称取13.69g的Li2CO3、39.2g的TiO2、1.51g的SnO2和0.78g的LiF，将所称取的化合物混合均匀后，在室温下将其置于球磨机中球磨8h，其中，球料比为6，球磨机运转频率为48Hz。而后将球磨后的产物取出，将其置于管式炉中进行两段煅烧，先将炉温升至500℃煅烧，保温时间为3h，而后升高至800℃煅烧，保温时间为5h，冷却至室温，得到共掺杂的钛酸锂。将煅烧后的产物取出进行二次球磨，在室温下将其再次置于球磨机中球磨15h，其中，球料比为6，球磨机运转频率为42Hz。称取4g制得的共掺杂的钛酸锂，分散于20mL去离子水，配制成浓度为0.2g/mL的浆料，进行球磨2h后，将所述浆料进行喷雾干燥，其中进口温度为200℃，出口温度为90℃，压力为0.2MPa，得到粒径均匀的粉末，该粉末即为Li4Ti4.9Sn0.1O11.7F0.3。实施例2按照摩尔比n(Li)∶n(Ti)∶n(Sn)∶n(F)＝4∶4.7∶0.3∶0.1分别称取14.43g的Li2CO3、37.6g的TiO2、4.53g的SnO2和0.26g的LiF，将所称取的化合物混合均匀后，在室温下将其置于球磨机中球磨8h，其中，球料比为6，球磨机运转频率为48Hz。而后将球磨后的产物取出，将其置于管式炉中进行两段煅烧，先将炉温升至500℃煅烧，保温时间为3h，而后升高至800℃煅烧，保温时间为5h，冷却至室温，得到共掺杂的钛酸锂。将煅烧后的产物取出进行二次球磨，在室温下将其再次置于球磨机中球磨15h，其中，球料比为6，球磨机运转频率为42Hz。称取4g制得的共掺杂的钛酸锂，分散于20mL去离子水，配制成浓度为0.2g/mL的浆料，进行球磨2h后，将所述浆料进行喷雾干燥，其中进口温度为200℃，出口温度为90℃，压力为0.2MPa，得到粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种共掺杂钛酸锂负极材料，其特征在于，所述负极材料为双元素共掺杂的钛酸锂，其中掺杂元素选自过渡金属元素和卤素中的至少两种元素。/n

【技术特征摘要】
1.一种共掺杂钛酸锂负极材料，其特征在于，所述负极材料为双元素共掺杂的钛酸锂，其中掺杂元素选自过渡金属元素和卤素中的至少两种元素。


2.根据权利要求1所述的共掺杂钛酸锂负极材料，其特征在于，其化学结构式为：Li4Ti5-xSnxO12-yFy，其中，0＜x≤0.3，0＜y≤0.3。


3.根据权利要求1-2任一项所述的共掺杂钛酸锂负极材料，其特征在于，所述负极材料的结构式优选为Li4Ti4.9Sn0.1O11.7F0.3。


4.根据权利要求1-3任一项所述的共掺杂钛酸锂负极材料，其特征在于，所述负极材料的振实密度为1.0-2.0g/cm3，平均粒径为50-300nm。


5.一种如权利要求1-4任一项所述的共掺杂钛酸锂负极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、按照摩尔比n(Li)：n(Ti)：n(Sn)：n(F)＝4：(5-x)：x：y分别称取一定量的锂源、钛源、锡源和氟源，将所称取的化合物混合均匀后，在室温下将其置于球磨机中球磨5-12h，其中，球料比为4-8，球磨机运转频率为45-50Hz，其中，0＜x≤0.3，0＜y≤0.3；
b、将步骤(a)中球磨后的产物取出，将其置于管式炉中进行两段煅烧，先将炉温升至400-600℃煅烧，保温时间为2-5h，而后升高至700-900℃煅烧，保温时间为3-8h，冷却至室温，得到共掺杂的钛酸锂；
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋婷，张燕，
申请(专利权)人：宋婷，
类型：发明
国别省市：江西;36