[发明专利]球形钛酸锂材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子二次电池材料领域，具体涉及一种可作为锂离子动力电池用球形钛酸锂负极材料的制备方法。

背景技术

汽车产业是国民经济重要的支柱产业，也是体现国家竞争力的标志性产业。我国已成为世界第一汽车产销国，在今后较长一段时期我国汽车产销量还将保持快速增长势头，预计到2020年汽车保有量将超过2亿辆，按当前汽车燃油经济性水平估计，车用燃油年消耗量将突破4亿吨，由此带来的能源安全和环境问题将更加突出。因此，大力发展节能与新能源汽车，加快推进节能与新能源汽车的产业化进程，是有效应对能源和环境挑战，实现中国汽车产业可持续发展的必然选择。这样就需要研究和开发大功率、高能量、长寿命、高安全性、低成本以及环境友好的动力电池。锂离子二次电池具有循环性能好、能量密度高、电压平台高等优势，被认为是最有可能用作电动汽车的动力电池。锂离子动力电池的研究和开发是“十一五”、“863计划”节能和新能源汽车重大项目中最重要的部分，成为国家重点支持和鼓励发展的项目，同时也是全世界研究和开发的焦点，所以研究开发高性能、高安全性锂离子动力电池非常必要。目前，商业化的锂离子电池的负极材料主要是碳负极材料，但其首次充放电不可逆容量较高、安全性低、循环性能差的特性，不适合用于电动汽车等需大电流充放电的设备。钛酸锂具有使用寿命长，耐过充过放和安全性能好的特点，满足大功率充放电的需求。

目前，钛酸锂的制备方法主要是固相法和液相法。其中，固相法简单实用，适合大规模生产。但固相法往往难以确保混料均匀，从而使得最终产品性能受到较大影响；且一般固相法合成出的钛酸锂晶体多为不规则形状，材料颗粒尺寸大且分布不均匀，导致由该材料制作的电池性能不佳；而且采用固相法需在较高温度下(大于800℃)进行较长时间(大于15小时)的热处理，这样需耗费大量能源和时间。溶胶-凝胶法等液相合成法可以制备尺寸可控的小粒径材料，但其制备步骤繁琐、周期较长且所用有机原料毒性大、成本高、对环境有污染，不适合工业化生产。

发明内容

本发明主要是针对固相合成法过程中混料不均匀、热处理温度高、时间长和液相法中步骤繁琐、成本高等上述缺点，提供了一种形貌为规则的球形、性能优异且适合工业化规模生产的高功率锂离子动力电池用球形钛酸锂负极材料的制备方法。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

一种球形钛酸锂材料的制备方法，包括如下步骤：

1)配制锂离子浓度为0.5～5摩尔/升的锂化合物水溶液；

2)将球形二氧化钛与锂化合物水溶液混合均匀，于90～110℃水热反应15～25小时，得到中间体颗粒；

3)将所得中间体干燥并研磨5～30分钟，然后700～900℃高温烧结1～5小时，得到球形钛酸锂材料。

进一步的，高温烧结后将所得产品冷却、粉碎、过筛，得到成品球形钛酸锂材料。

上述制备方法中，步骤1)所述锂化合物可以是无机锂化合物，也可以是有机锂盐，从材料的易得性和成本考虑，优选无机锂化合物，例如氢氧化锂、氯化锂、硝酸锂、硫酸锂等锂化合物中的一种或多种。

上述步骤2)最好是按化学计量比称取球形二氧化钛与锂化合物水溶液混合，钛酸锂的分子式为Li₄Ti₅O₁₂，球形二氧化钛和锂化合物水溶液的混合物料中Ti和Li的物质的量的比为5∶4较好，考虑到高温条件下锂化合物的挥发性，可适当增加锂化合物的用量。

上述步骤3)对高温烧结的气氛无特别限定，可以是空气气氛或惰性气氛，直接在空气中烧结大大简化了工艺条件。

球形二氧化钛颗粒的大小、高温烧结的温度和时间决定了所制备的球形钛酸锂材料的颗粒大小，其中球形二氧化钛的粒径优选为0.1～5μm。可以通过下述方法来制备球形二氧化钛：

a)配制浓度为0.02～0.5摩尔/升的硫酸钛水溶液；

b)将硫酸钛水溶液与醇类溶剂等体积混匀，然后加入吡咯烷酮类聚合物表面活性剂，使其充分溶解；

c)将步骤b)所得混合溶液在80～90℃水解，产生球形二氧化钛水合物固体；

d)固液分离获得球形二氧化钛水合物，将其用去离子水洗涤至洗涤水的pH值为6～7为止，然后干燥，并于600～800℃热处理1～5小时，得到球形二氧化钛。

产物球形二氧化钛的大小主要决定于硫酸钛水溶液的浓度，优选步骤a)所配制的硫酸钛水溶液浓度为0.1～0.2摩尔/升，所制备的球形二氧化钛的粒径大小在1μm左右。