[发明专利]具有优异的高倍率性能的纳米结构的Li4Ti5O12的制备

说明书

背景技术

已经研究了许多能够可逆地交换锂离子的材料用于开发可再充电的锂离子电池。钛酸锂（即，Li₄Ti₅O₁₂）是有前景的用于这些电池的活性阳极材料。参见Ohzuku等,Journal of the Electrochemical Society,142,1431(1995)；和Thackeray,Journal of the Electrochemical Society,142,2558(1995)。

高性能锂离子电池需要纳米结构的钛酸锂颗粒。由常规固态反应所制备的钛酸锂颗粒具有微米大小的颗粒，因而不能满足高性能要求。另外，由于固态反应在非常高的温度（例如，超过800℃）下进行很长时间（例如，24小时），所以其消耗了大量的能量。另一方面，水热合成提供了纳米结构的尖晶石钛酸锂。参见Tang等,Electrochemistry Communications10,1513(2008)。然而，该水热法受低产率的影响而不适合用于批量生产。

需要开发具有高产率并且低成本的用于制备纳米结构的钛酸锂颗粒的方便的方法。

发明内容

本公开是基于发现了如下方法：与固态法相比，所述方法可以以更低的温度和更短的煅烧时间用于制备纳米结构的钛酸锂颗粒。

本公开提供了制备纳米结构的钛酸锂颗粒的方法，其使用软模板法，然后是大幅减小尺寸而不损害颗粒结晶度的高能球磨。该方法提供了最终产物的出乎意料的高产率并且适合用于大规模生产。

所述方法包括以下步骤：(a)提供包含软模板化合物、包含锂离子的化合物和含钛离子的化合物的溶剂；(b)除去溶剂以获得钛酸锂前体；以及(c)煅烧所述钛酸锂前体以获得结晶的钛酸锂颗粒。

在步骤(a)中，所述溶剂可以是乙醇和水的混合物（例如，乙醇:水，按体积计1:1至6:1，优选1:1至3:1）；所述软模板化合物可以是辛基三甲基溴化铵、癸基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵、十四烷基三甲基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、十八烷基三甲基溴化铵、三甲基十八烷基氯化铵、二十二烷基三甲基氯化铵、普卢兰尼克（pluronic）P-123、普卢兰尼克F127、普卢兰尼克F68、或其组合（例如，辛基三甲基溴化铵、十二烷基三甲基溴化铵和十六烷基三甲基溴化铵）；含锂离子的化合物可以是醋酸锂、氯化锂、氢氧化锂或碳酸锂（例如，醋酸锂和氯化锂）；含钛离子的化合物可以是异丙氧基钛。含锂离子的化合物和含钛离子的化合物为化学计量比（例如，按摩尔计4:5至4.2:5），软模板化合物与含锂离子的化合物的重量比为1:2至3:2。

步骤(b)中所获得的所述钛酸锂前体在步骤(c)中在600℃至800℃下煅烧2至8小时（例如，在600℃至750℃下煅烧4至6小时），以得到结晶的钛酸锂颗粒。

由此获得的结晶的钛酸锂颗粒可进一步以200rpm至600rpm球磨1至5小时（例如，以300rpm至400rpm球磨3至4小时），然后在400℃至750℃下退火1至5小时（例如，在500℃至700℃下退火1至2小时）。

通过上述方法所制备的纳米结构的钛酸锂颗粒也在本公开的范围内。

包含尖晶石钛酸锂晶体并且颗粒大小为5nm至500nm（例如，10nm至80nm）和孔径为3至10nm的纳米结构的钛酸锂颗粒仍在本公开的范围内。

本发明的一个或更多个实施方案的细节描述于下面的说明书中。本发明的另一些特性、目的和优点从说明书中和从权利要求书中将是明显的。

具体实施方式

本公开提供了有成本效益的制备中孔纳米结构的钛酸锂颗粒的方法，所述颗粒可在可再充电的锂离子电池（LIB）中用作阳极材料用于高功率密度应用。该纳米结构材料的倍率性能超过了同一材料的微米级颗粒的倍率性能。

本方法包括三个基本步骤（即，步骤(a)至(c)）和两个任选步骤（即，球磨步骤和退火步骤）。参见上述发明内容部分。以下详细描述这些步骤中的每一个。

步骤(a)

在该步骤中提供了混合物用于通过软模板合成制备中孔纳米结构的锂钛颗粒。可以是溶液或浆料的混合物包含预先确定重量比的软模板化合物、包含锂离子的化合物、包含钛离子的化合物和溶剂。优选地，它是其中所有化合物均溶解于溶剂中的溶液。当混合物为浆料时，优选的是，化合物均匀地分散于溶剂中。优选地，化合物为化学计量比（例如，Li:Ti为按摩尔计4:5至4.2:5）。