[发明专利]一种钛酸锂复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电池材料技术领域，具体涉及一种钛酸锂复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池以其比能量高、循环寿命长、无记忆效应、污染小和自放电率小等特点，被 认为是一种理想的储能体系。但是，随着生产、生活水平的提高，对锂离子电池的性能也提 出了更高的要求。传统的碳负极材料在高倍率及高安全性方面已经有所不足，首先，碳负极的电位与锂的电位很接近，电池过充时，金属锂与电解质在界面易形成一层膜，并且容易形成锂枝晶；其次，石墨负极由于层状结构，锂离子嵌入嵌出过程易引起较大形变（10.3%），导 致循环性能不足；最后，锂离子在石墨负极中的离子迁移速率较低，导致充放电较慢，不适合需要瞬间强电流的设备等。因此需要寻找性能更加优异的可替代碳材料的新型负极材料。而钛酸锂由于其独特的性能，引起了人们的广泛关注。尽管钛酸锂作为锂离子电池负极材料具有诸多突出特点，但钛酸锂也有其不足之处，如高电位带来电池的低电压，其固有的电导率仅为10^-9S/cm，电子导电性差，大电流放电易产生较大极化且比容量衰减较快，这在一定程度上限制了该材料的倍率表现。

为了改善钛酸锂材料的使用性能，目前工业界广泛采用的改性措施包括：（1）杂 原子体相掺杂。根据掺杂元素的不同可以分为：阳离子掺杂、阴离子掺杂以及复合掺杂。阳离子掺杂可以使层状结构更完整，提高晶体结构的稳定性，减少Ni、Li混排，减少循环过程中的容量衰减，这对改善材料的循环性能和热稳定性的效果是比较明显的。阴离子掺杂主要是掺杂与氧原子半径相近的F原子。适量地掺杂F可以促进材料的烧结，使正极材料的结构更加稳定，同时在循环过程中稳定活性物质和电解液之间的界面，提高正极材料的循环性能和热稳定性；（2）优化生产工艺。改进生产工艺，控制制备材料的环境、湿度、气氛等，比如降低表面残碱含量、提高粒径分布均匀性、改善晶体结构完整性、减少材料中细分的含量等；（3）表面包覆，使材料与电解液机械分开从而减少材料与电解液副反应，抑制金属离子的溶解，减少材料在反复充放电过程中材料结构的坍塌进而提高材料的安全性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，充分利用现有资源，选用来自渣油延迟焦化过程的石油焦作为生产原料，提供一种钛酸锂复合材料及其制备方法，所得材料倍率性能、安全性能优良，具有较高的充放电容量及较高的循环稳定性。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种钛酸锂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）用过氧化氢与草酸按质量比1：2-3组成复合洗涤剂，复合洗涤剂溶液质量浓度为15-35％，将纳米氧化银与复合洗涤剂溶液按质量比为1:2-4浸泡纳米氧化银1-3h后，过滤并用清水洗涤，然后在100-120℃下烘干，得到粒度为10-25nm 的高纯纳米氧化银；

（2）将锂源和钛源化合物，按照物质的量比Li：Ti＝0.8～1.0：1进行配料，用无水乙醇作溶剂，分别配制浓度为0.1-2mol/L锂源溶液，浓度为0.1-2mol/L钛源溶液，称取锂源和钛源总质量1％-8％的螯合剂，在超声作用下，将锂源溶液、钛源溶液混合，然后缓慢的加入将螯合剂，继续超声2-4h，然后在40℃-80℃下水浴中搅拌1-10h，得到凝胶；

（3）将石油焦在200-500℃下焙烧纯化，进行高能球磨，球磨介质与混合料的质量比为5-10：1，转速为400-600r/min， 球磨2-4h，然后将其分散在酸中进行超声处理，最后通过离心分离、反复水洗和抽滤使产物达到中性，干燥得石油焦粉末；

（4）在超声波条件下，按照终产物中石油焦与钛酸锂的质量比为0.001-0.1：100 的比例，将石油焦粉末加入到步骤（2）的凝胶中，对所得凝胶进行滤、洗涤、干燥，得前驱体干凝胶；

（5）将步骤（1）的高纯纳米氧化银加入步骤（4）所述的前驱干凝胶中，进行高能球磨，球磨介质与混合料的质量比为5-10：1，转速为400-600r/min， 球磨2-4h，最后在惰性气氛下于600℃～800℃烧结10～24h，冷却后得到钛酸锂复合材料。球磨介质的粒径可根据球磨时间和所要达到的球磨效果进行选择，优选的球磨介质的粒径为2-8mm。

优选地，所述锂源为硝酸锂。

优选地，所述钛源为钛酸四丁酯。

优选地，所述螯合剂为酒石酸。

优选地，为了降低成本，实现石油焦的资源化利用，所述石油焦来自渣油的延迟焦化过程形成的焦炭。

优选地，步骤（3）中的酸为磷酸。