[发明专利]一种高比容量纳米级钛酸锂材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学电源材料制备技术领域，具体涉及高比容量纳米级钛酸锂材料的制备方法。

背景技术

现代文明的发展和世界人口的不断增加，使全世界对能源的需求与日俱增。而随着煤炭、石油等传统一次能源供应的日益短缺，以及燃料能源引发的全球变暖和生态环境恶化等问题不断加剧，使能源问题受到越来越多的关注。探索清洁可再生的新能源已经成为当今科学世界的重要任务之一，成为关系着人类未来生存状况的重大课题。而其中超级电容和理离子电池以各自优异的性能，得到人们广泛的关注。白问世以来，在诸多领域如电子，通讯，汽车等行业得到广泛的应用。

具有尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)被认为是最有应用前景的负极材料之一。在锂离子嵌入和脱出过程中，尖晶石结构钛酸锂晶胞体积基本不变，因而被称为“零应变”材料。尖晶石结构钛酸锂作为新一代的锂电池负极，具有以下优势：1)尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂理论比容量为175mAh/g，实际比容量可达160-165mAh/g，并集中在平台区域，当与4V正极材料组成电池时工作电压接近2.5V，是镍金属氢化物电池的2倍；2)尖晶石Li₄Ti₅O₁₂结构与物化性质稳定，不与电解液反应，循环性能好。3)尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂在常温下的化学扩散系数为2×10^-8cm²/s，比碳负极材料大1个数量级，充放电速度更快。钛酸锂电池的这些优点有利于其在电动车和储能领域的应用。目前，以钛酸锂为负极的锂离子动力电池已成为国内外竞相开发的热点。

但由于Li₄Ti₅O₁₂的电导率极低(＜10^-13S/cm)，这在一定程度上限制了该材料大倍率表现。同时也限制了该材料在高功率型理离子电池和混合超级电容中的应用。因而如何提高材料在大倍率充放电时的放电比容量是许多研究人员一直努力攻克的难题。目前提高Li₄Ti₅O₁₂的倍率性能主要有两个途径：一是制备纳米颗粒的Li₄Ti₅O₁₂；二是导电金属掺杂，碳包覆等。但是这两种方法都存在一定的技术缺陷，倍率性能提升的同时，往往没有兼顾其他性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种解决上述问题、可大幅提高比容量的高比容量纳米级钛酸锂材料的制备方法。

本发明为实现上述目的而采用的技术方案为：

一种高比容量纳米级钛酸锂材料的制备方法，其包括如下步骤：

(1)A液的制备：

将钛的化合物分散到50～500ml的去离子水中，即可得到A液；

(2)B液的制备：

将锂的化合物分散到50～500ml的去离子水中，其中，所述锂的化合物中锂的物质的量与步骤(1)中钛的化合物中钛的物质的量之比为：n_u：n_Ti＝1∶1.0～1.2，即可得到B液；

(3)将B液缓慢加入A液中，同时进行磁力搅拌，搅拌30min，即可得到混合分散液；

(4)将步骤(3)得到的混合分散液装入高温反应釜中，然后置于120～200℃烘箱中反应5～24h，反应结束后，自然冷却至室温，然后进行抽滤，再用去离子水或无水乙醇洗涤后，在60～120℃的温度条件下进行干燥，即可得到前驱体；

(5)将步骤(4)得到的前驱体，在氮气气氛与400～1000℃的温度条件下，烧结1～5h；即可得到纳米级钛酸锂材料；

(6)将步骤(5)得到的纳米级钛酸锂材料，在氢离子的浓度为0.01mol/L～14mol/L的酸性溶液中，在20～200℃的温度条件下，浸泡2～24h，然后进行抽滤，再用去离子水或无水乙醇进行洗涤后，烘干，即可得到高比容量纳米级钛酸锂材料。

所述钛的化合物是硫酸钛、钛酸四丁酯、钛酸异丙酯、偏钛酸、无定形二氧化钛、锐钛型二氧化钛、金红石型二氧化钛中的一种或其组合。

所述锂的化合物是氧化锂、碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、草酸锂、氯化锂、硝酸锂中的一种或其组合。