离子掺杂球形Li4Ti5O12/C锂离子电池负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种离子掺杂球形Li4Ti5O12/C锂离子电池负极材料及其制备方法。该方法，包括如下步骤：1)将锂源化合物和碳源化合物均匀分散在离子掺杂的氧化钛溶胶中，喷雾干燥得到球形粉体；2)在惰性气体保护下，将所述球形粉体进行热处理，得到所述离子掺杂球形Li4Ti5O12/C锂离子电池负极材料。本发明专利技术提供的制备离子掺杂球形Li4Ti5O12/C锂离子电池负极材料的方法，通过将Li4Ti5O12与碳的复合，提高了材料的导电性能，并通过离子掺杂，稳定了材料的晶体结构，从而进一步提高了材料的充放电循环性能。该方法工艺流程简单；所得锂离子电池负极材料呈球形，具有合适的颗粒尺寸及合理的粒径分布，堆积密度高，在锂离子电池领域具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于能源材料
，涉及一种锂离子电池负极材料，特别是涉及一种 离子掺杂球形Li4Ti5012/C锂离子电池负极材料及其制备方法。
技术介绍
锂离子电池是新一代的绿色高能电池，广泛应用于移动电话、笔记本电脑等中小 容量、中低功率领域，技术已趋于成熟。今后，锂离子电池的发展方向是高功率动力电池和 高容量储能电池，作为动力电池和储能电池，它必须具有低成本、高安全性、长循环寿命、绿 色无毒的特点。电池的发展需要在电极材料上取得重大突破。目前商品化的锂离子电池负极材料大多采用石墨化碳材料。但该材料与电解液相 容性较差，与电解液作用形成的SEI膜热稳定性较差，可能导致安全性问题，从而限制了锂 离子电池在动力电池以及对安全性要求较高的领域中的应用。尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12) 以其优良的高安全性和结构稳定性近年来越来越引起研究人员的关注，是一种无应力插入 材料，在充放电过程中几乎不发生结构改变；有很好的充放电平台；首次充放电效率高；与 电解液有很好的相容性和热稳定性；价格便宜，容易制备。但是该材料存在导电性差和堆积 密度低的问题，从以前的研究成果来看，人们通过合成纳米尺寸的颗粒及与导电材料复合 在较大程度上改善了材料的导电性，并通过合成球形颗粒大大提高了材料的堆积密度。通 过离子掺杂可提高材料的导电性，但普通的离子掺杂很难获得较高的循环比容量和高的循 环容量保持率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种离子掺杂球形Li4Ti5012/C锂离子电池负极材料及其制 备方法。本专利技术提供的制备离子掺杂球形Li4Ti5012/C锂离子电池负极材料的方法，包括如 下步骤1)将锂源化合物和碳源化合物均勻分散在离子掺杂的水合氧化钛溶胶中，喷雾干 燥得到球形粉体；2)在惰性气体保护下，将所述球形粉体进行热处理，得到所述离子掺杂球形 Li4Ti5012/C锂离子电池负极材料。上述制备方法的步骤1)中，所述锂源化合物选自LiC03、LiNO3和LiOH · H2O中的 至少一种；所述碳源化合物选自蔗糖、葡萄糖、碳纳米管、酚醛树脂、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚 乙二醇和聚乙烯醇中的至少一种；所述离子掺杂的氧化钛溶胶中，所述离子选自La3+、Y3+ 和Mn2+中的至少一种。所述锂源化合物中锂元素与所述离子掺杂的氧化钛溶胶中钛元素 的摩尔比为3. 95 4. 05 5;所述碳源化合物中碳元素与所述钛离子掺杂球形Li4Ti5O12/ C锂离子电池负极材料的质量百分比为5-30%，优选20%。喷雾干燥步骤的进口温度为200-320°C，优选280°C ；出口温度为80_120°C，优选100°C。此外，所述离子掺杂的氧化钛 溶胶是按照包括如下步骤的方法进行制备的将钛盐化合物与掺杂离子化合物溶于去离子 水中混勻后，调节PH值至10，反应完毕得到所述离子掺杂的氧化钛溶胶。所述掺杂离子化 合物中的掺杂离子元素与所述钛盐化合物中钛元素的摩尔比为0.1 3 100，具体可为 0.1 100,3 100,1 100,0. 1-1 100 或 1-3 100，优选 1 100。所述步骤幻中，所述惰性气体选自氮气和氩气中的至少一种。热处理步骤的温度 为600°C 900°C，优选800°C ；热处理步骤的时间为6 20小时，优选16小时。按照上述方法制备得到的离子掺杂球形Li4Ti5012/C锂离子电池负极材料及该材 料在锂离子电池负极材料和制备锂离子电池中的应用，也属于本专利技术的保护范围。本专利技术提供的制备离子掺杂球形Li4Ti5012/C锂离子电池负极材料的方法，通过 Li4Ti5O12与碳的复合，提高了材料的导电性能，并通过离子掺杂，稳定了材料的晶体结构， 从而进一步提高了材料的充放电循环性能。该方法工艺流程简单；所得锂离子电池负极材 料呈球形，具有合适的颗粒尺寸及合理的粒径分布，堆积密度高，在锂离子电池领域具有很 好的应用前景。附图说明图1为本专利技术实施例1制备所得掺杂球形Li4Ti5012/C锂离子电池负极材料颗粒的 扫描电镜照片。图2为本专利技术实施例1制备所得掺杂球形Li4Ti5012/C锂离子电池负极材料颗粒在 电流密度为1. 6mA/cm2时的典型充放电循环性能曲线。具体实施例方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术并不限于以下实施例。下 述实施例中所述测试方法如无特别说明，均为常规方法。实施例1、称取TiCl4置入一烧杯中，加入去离子水，水解制得2mol/L的TiOCl2溶液；再按 摩尔比为La/Ti = 1 100的量称取LaCl3，溶解于上述TiOCl2溶液中，得到均勻的混合 溶液。配制浓度为2mol/L的氨水溶液，在搅拌条件下，将氨水溶液缓慢加入到上述混合溶 液中，直到溶液PH值达到10，停止加入碱溶液，离心分离，洗涤后得到均勻的含掺杂离子 La的水合氧化钛溶胶前驱体；再按摩尔比Li Ti = 4 5的比例称取Li2CO3、按与最终 生成的Li4Ti5O12(以加入的钛计算)质量百分比为20wt%的比例称取蔗糖(因在前面的 表述中没有指出具体的钛的量，此处也不能算出蔗糖的具体质量)，通过球磨使其均勻分散 于溶胶中；所得到的混合液体用气流式喷雾干燥器干燥，采用并流干燥方式，雾化装置采用 双流式喷嘴，用蠕动泵进料，速度为10-20mL/min，喷嘴气体流量由压缩空气的压力控制，在 0. 2Mpa下产生雾化，控制空气进口温度为300°C，出口为100°C，出口空气经一级旋涡分离 放空；喷雾干燥所得粉体在氮气保护下于800°C下热处理16小时后，即获得La掺杂球形 Li4Ti5012/C锂离子电池负极材料。本方法所获得的掺La球形Li4Ti5012/C颗粒为球形，粒径为5_20 μ m之间，平均粒 径为IOym左右。测得该材料的振实密度为1. 72g/cm3。用纯金属锂片作负极，测得该材料在室温及电流密度为1. 6mA/cm2时的首次放电比容量为155mAh/g，200次循环后的放电比 容量保持率为96.5%。实施例2、称取TiOSO4置入一烧杯中，加入去离子水，溶解制得5mol/L的TiOSO4溶液；再按 摩尔比为Y/Ti = 0.1 100的量称取YCl3，溶解于上述TiOSO4溶液中，得到均勻的混合溶 液。配制浓度为lOmol/L的NaOH溶液，在搅拌条件下，将NaOH溶液缓慢加入到上述混合溶 液中，直到溶液PH值达到10，停止加入碱溶液，离心分离，洗涤后得到均勻的含掺杂离子Y 的水合氧化钛溶胶前驱体；再按摩尔比Li Ti = 4.05 5的比例称取LiNO3、按与最终生 成的Li4Ti5012(以加入的钛计算)质量百分比为30wt%的比例称取葡萄糖，通过球磨使其 均勻分散于溶胶中；所得到的混合液体用气流式喷雾干燥器干燥，采用并流干燥方式，雾化 装置采用双流式喷嘴，用蠕动泵进料，速度为10-20mL/min，喷嘴气体流量由压缩空气的压 力控制，在0. 2Mpa下产生雾化，控制空气进口温度为300°C，出口为100°C，出口空气经一级 旋涡分离放空；喷雾干燥所得粉体在氮气保护下于900°C下热处理6小时后即获得Y掺杂 球形Li4Ti5012/C锂离子电池负极材料。本方法所获得的掺Y球形Li本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种制备离子掺杂球形Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２／Ｃ锂离子电池负极材料的方法，包括如下步骤：１）将锂源化合物和碳源化合物均匀分散在离子掺杂的氧化钛溶胶中，喷雾干燥得到球形粉体；２）在惰性气体保护下，将所述球形粉体进行热处理，得到所述离子掺杂球形Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２／Ｃ锂离子电池负极材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高剑，姜长印，李建军，杨改，万春荣，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11