[发明专利]一种二氧化钛负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体来说是一种二氧化钛负极材料及其制备方法，可以达到纳米级水平。

背景技术

随着高能便携电源和动力电池的需求激增，对锂离子电池性能的要求也不断提高。负极材料是锂离子电池重要组成部分，其性能好坏直接影响锂离子电池的使用寿命。目前商业化的负极材料主要是碳基材料，但其自身也还存在缺陷，如生成SEI膜降低循环寿命，当电池过充电时，碳电极表面可能会形成锂枝晶从而造成电池短路。二氧化钛作为锂离子电池负极材料，在嵌锂和脱锂过程中体积膨胀小(3％)，放电平台在1.7V左右，而且原料丰富、绿色环保，具有循环稳定性好和安全性好等优势，是一种具有发展前途的负极材料。

由于二氧化钛电子导电率和Li⁺扩散系数低，导致其倍率性能差而没有得到广泛应用。二氧化钛纳米化被证明是提高其电化学性能的有效方法之一。近年来人们用各种方法合成了纳米二氧化钛用做锂离子电池负极材料。Sung Woo Oh等用水热法制备了22nm二氧化钛，在0.4mAcm^-2电流密度下循环100次容量为170mAh g^-1。S.Casino等用不同表面活性剂补助溶胶-凝胶法合成多孔纳米二氧化钛，表现出好的倍率性能。Li等用溶剂热法合成了多孔二氧化钛纳米片，在1C(1C＝168mAh g^-1)倍率下首次放电比容量为210mAh g^-1，50次循环后保持151mAh g^-1比P25高出30mAh g^-1容量。Yang等用[bmin][BF₄]离子液体水热合成高度(001)晶面暴露的纳米二氧化钛立方块，展现良好倍率和循环性能。

然而以上制备方法需要大量溶剂、较高能量且反应难控制，不利于大批量生产。尿素-氯化胆碱作为功能化离子液体制备简单，原料成本低，适合工业生产；对水相对稳定，易于保存，无毒，绿色环保；而且其表面张力小，利于成核，有效减小颗粒粒度。基于上述优点，尿素-氯化胆碱在催化、有机合成、溶解、分离和电化学等很多领域中有着广阔的应用前景。Q.Q.Xiong等用尿素-氯化胆碱离子液体一步法合成纺锤状纳米Fe₂O₃，在200mA g^-1电流密度下充放电循环50次后容量为921.7mAh g^-1。但是关于用尿素-氯化胆碱合成二氧化钛作为锂离子负极材料的方法还没有报道。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提出如下的技术方案：

一种二氧化钛负极材料的制备方法：将钛酸四丁酯加入尿素-氯化胆碱离子液体、水和冰乙酸组成的混合溶液中进行反应，洗涤过滤，将滤得物干燥后，焙烧，即得。

为了取得更优的效果，在小剂量实验条件下，钛酸四丁酯可以滴加到混合溶液中，滴加的过程中，可以保持溶液处于震荡或搅拌状态；当大剂量或试产条件下，钛酸四丁酯可以缓慢加入处于搅拌状态下的混合溶液中。上述方式都是为了让反应更加的充分、彻底。

尿素-氯化胆碱离子液体是最早由Abbott提出的一种共融溶剂，具有较低的熔点和凝固点，较强的溶解性，内部可形成氢键。该离子液体现已成为一个较为通用的、较为熟知的常规产品，使用者都是把原料也就是氯化胆碱和尿素准备好后，现用现配，而且都是通过将氯化胆碱和尿素按1：2的摩尔比搅拌混合加热制备而成，本发明也遵循这一方法。

上述Abbott有关尿素-氯化胆碱离子液体的性能及制备详见Andrew P.Abbott,Glen Capper,David L.Davies,Raymond K.Rasheed and Vasuki Tambyrajah.Novel solvent properties of choline chloride/urea mixtures[J].Chemical Communications,2003,70-71。

为了使目标产品的形貌、性能更优，上述干燥工序选用冷冻干燥，冷冻干燥也简称冻干。

进一步的，钛酸四丁酯、尿素-氯化胆碱离子液体、水和冰乙酸的体积比为2-4：3-8：3-4：1-2。

进一步的，作为上述体积比的较优实施例，我们采用钛酸四丁酯、尿素-氯化胆碱离子液体、水和冰乙酸的体积比为2：3：3：1。

进一步的，上述反应条件为：70-100℃下反应3-5小时。

进一步的，上述焙烧条件为：450-550℃下焙烧3-5小时。