[发明专利]一种碳包覆介孔磷酸钛锂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳包覆介孔磷酸钛锂的制备方法，属于介孔材料和锂电池电极材料制备 技术领域。

背景技术

相比于铅-酸、镍-镉和镍-金属氢化物电池，可充电锂离子电池(简称锂电池)具有能 量密度高、循环寿命长和质量轻的特点(N.Alias,A.A.Mohamad,J.PowerSources274(2015) 237-251.)，在便携式仪器和电子器件中得到了广泛应用；但是，目前采用有机电解液的有 机系锂电池具有易燃、组装条件苛刻、生产成本高的缺点，这限制了它们在大规模能量储存 体系中(如电动机车、智能电网等)的应用(Xiao,Zeng,Q.Liu,M.Chen,L.Leng,T.Shu,L. Du,H.Song,S.Liao,ElectrochimicaActa177(2015)277-282.)。采用水性电解液的水系锂电 池，其组装条件简单、生产成本低、安全性高、且环境友好，因此有关水系锂电池电极材料 的研究引起了科研工作者的极大兴趣(N.Alias,A.A.Mohamad,J.PowerSources274(2015) 237-251；W.Li,J.R.Dahn,D.S.Wainwright,Science264(1994)1115-1118；J.Y.Luo,Y.Y.Xia, Adv.Funct.Mater.17(2007)3877-3884.)。

在水系锂电池电极材料的研究中，有关负极材料的研究是该领域的研究热点和难点，部 分原因是由于，适合在有机系锂电池中用作负极的价廉易得的活性炭材料，其嵌锂电压低于 水溶液的析氢电压(Y.Wang,J.Yi,Y.Xia,Adv.EnergyMater.2(2012)830-840.)。作为 NASICON型的磷酸钛锂材料，具有适合锂离子传输的三维网络结构、高度可逆的Ti⁴⁺/Ti³⁺氧化还原电对和相对于标准氢电极的较低的氧化还原电势(-0.5V)，使得以磷酸钛锂为负 极的水系锂电池受到了广泛研究(Z.Liu,X.Qin,H.Xu,G.Chen,J.PowerSources293(2015) 562-569；W.Li,J.R.Dahn,D.S.Wainwright,Science264(1994)1115-1118；J.Y.Luo,Y.Y.Xia, Adv.Funct.Mater.17(2007)3877-3884；J.Y.Luo,W.J.Cui,P.He,Y.Y.Xia,Nat.Chem.2(2010) 760-765.)。

为了提高磷酸钛锂的电化学性能，文献中普遍采用的方法是在颗粒纳米化的基础上对纳 米粒子进行后续石墨化碳包覆(Z.Liu,X.Qin,H.Xu,G.Chen,J.PowerSources293(2015) 562-569；W.Li,J.R.Dahn,D.S.Wainwright,Science264(1994)1115-1118；J.Y.Luo,Y.Y.Xia, Adv.Funct.Mater.17(2007)3877-3884；Y.Wang,J.Yi,Y.Xia,Adv.EnergyMater.2(2012) 830-840.)。颗粒纳米化会增大电极材料的比表面积，有利于电极材料提供更多的脱/嵌锂活 性位，提高电极材料的比容量；石墨化碳包覆有利于提高电极材料的电子电导率，提高其倍 率性能和循环稳定性。关于碳包覆的磷酸钛锂材料，已有研究中普遍采用将磷酸钛锂前躯体 分散在有机聚合物溶液中(Z.Liu,X.Qin,H.Xu,G.Chen,J.PowerSources293(2015) 562-569.)或将其与导电碳材料混合(Y.Wang,J.Yi,Y.Xia,Adv.EnergyMater.2(2012) 830-840.)，或采用Pechini反应形成复合物(C.Wessells,F.L.Mantia,H.Deshazer,R.A. Huggins,Y.Cui,J.Electrochem.Soc.158(2011)A352-A355.)的方法，然后进行固液分离，将 固体干燥、热处理，得到碳包覆的磷酸钛锂。这种分步法或Pechini法使有机聚合物或碳包 覆在磷酸钛锂前躯体颗粒表面的做法，步骤繁琐、耗时长，无疑会增加生产成本。