[发明专利]一种球形多孔钛酸锂/二氧化钛复合材料、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池正极材料领域，具体是涉及一种球形多孔钛酸锂/二氧化钛复合材料、制备方法及其应用。

背景技术

锂离子电池相对于传统的二次电池而言，基于其自身的优势包括能量密度高、循环寿命长、稳定性好、无记忆效应等日益受到人们的关注，锂离子已经被广泛应用到手机、笔记本电脑、电动车等多种便携式电子产品中。近年来，由于人们的环保意识越来越强，锂离子电池的应用也已经拓展到纯动力车和混合动力车的范围。

目前，商业化的锂离子电池负极材料主要还是采用碳基材料，虽然碳材料便宜、无毒性，但其本身存在着缺陷。碳基材料作为锂电负极时，插锂后形成的化合物与锂的电位相差不到0.5V，当电池过充时，碳电极表面易析出很活泼的金属锂，形成枝晶锂，可能会刺穿隔膜造成短路的危险。除此之外，碳基材料的循环稳定性差、首次库伦效率低，还容易与电解液发生作用。这些缺点都不利于电池的稳定和安全。

与碳基材料相比，钛酸锂材料(Li4Ti5O12)则具有明显优势：首先，钛酸锂材料是零应变材料，在充放电前后晶体结构非常稳定，几乎不发生变化，能够避免在充放电过程中由于电极材料来回伸缩而产生的结构破坏，从而具有优越的循环性能；再者，钛酸锂材料拥有较高的离子扩散系数，通常比碳负极材料高一个数量级，而且它的热稳定性能很好；其次，它具有较平稳的充放电平台，平均电压平台为1.56V，实际比容量能达到165mAh/g(理论比容量175mAh/g)；最后，钛酸锂材料价格便宜，易于制备，适合商业化生产。因此，钛酸锂可以作为一种理想的代替碳基材料的电极材料。同时，经过调研相关文献我们发现，钛酸锂/二氧化钛复合材料的电化学性能要优于纯相的钛酸锂材料，具有较高的比容量，球状多孔结构钛酸锂/二氧化钛复合材料还未见报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种球形多孔钛酸锂/二氧化钛复合材料及其制备方法，采用喷雾干燥辅助合成方法，制备得到的球形多孔钛酸锂/二氧化钛复合材料具有高比容量、高倍率性能以及长寿命等特点。

本发明还提供了一种球形多孔钛酸锂/二氧化钛复合材料的应用。

本发明提供的一种球形多孔钛酸锂/二氧化钛复合材料，为球形多孔结构，尺寸为0.2～1微米，孔径15～20纳米。

本发明提供的一种球形多孔钛酸锂/二氧化钛复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、将锂源与表面活性剂溶于无水乙醇中，再加入冰醋酸和钛源，超声混合均匀，得到混合溶液；

(2)、将步骤(1)所得混合溶液进行雾化器雾化，通过高温炉干燥分解，收集球形前驱体；

(3)、将步骤(2)中所收集的前驱体在空气氛围中，高温煅烧后，自然冷却至室温，即可得到多孔球状钛酸锂/二氧化钛复合材料。

步骤(1)得到的混合溶液中，混合溶液中锂源、钛源、表面活性剂、乙醇、醋酸各物质的摩尔比例范围为：0.1-1:1:0.005-0.03:120-250:0.6-7，锂源选自硝酸锂、氯化锂、醋酸锂，钛源选自钛酸四丁酯(TBOT)，所述表面活性剂为P123、F127、CTAB任意一种，加入的冰醋酸旨在控制钛酸四丁酯的水解。

步骤(2)中所述雾化器的功率为35W，频率为1.7MHz。

步骤(2)中所述高温炉干燥分解炉温是450-480℃。

步骤(3)中所述高温煅烧条件为：升温速度5℃/min，在600℃煅烧4-8h。

本发明提供的一种球形多孔钛酸锂/二氧化钛复合材料的应用，作为电极材料的应用。

将所得球形多孔钛酸锂/二氧化钛复合材料、超级P-Li导电炭黑和PVDF粘合剂分别按照75:15:10的比例充分研磨混匀，并调成均匀浆料，涂覆Cu箔上，烘干，压实。在高纯氩气(纯度大于99.99％)气氛的手套箱中组装成2032型扣式电池(H₂O含量小于1ppm，O₂含量小于3ppm)。其中金属锂片作为负极。

与现有技术相比，本发明制备的球形多孔钛酸锂/二氧化钛复合材料，尺寸为0.2～1微米，孔径15～20纳米，球形均匀完美，有利于振实和压实；其多孔结构，有利于电解液的渗透和扩散，同时便于锂离子的传输；尺寸在0.2～1微米，无需后续筛选；而且，本发明制备的制备方法简单，设备要求低，无需预烧和混料，普通高温炉即满足生产；作为电极材料，具有较高的比容量，在1C倍率下容量高达166mAh/g。

附图说明

图1为实施实例1所得球形多孔钛酸锂/二氧化钛复合材料的扫描电子显微镜(SEM)照片；