[发明专利]一种钛酸锂-碳纳米纤维柔性无纺布及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种钛酸锂‑碳纳米纤维柔性无纺布及其制备方法与应用，其中制备方法包括以下步骤：将锂源溶解在钛源的分散液中，经过水热反应得到尺寸均一的钛酸锂前驱体纳米颗粒；将钛酸锂前驱体纳米颗粒分散于聚丙烯腈/二甲基甲酰胺中，利用静电纺丝技术和高温煅烧，最终得到钛酸锂‑碳纳米纤维组成的柔性无纺布。本发明方法可以大大提高钛酸锂在复合材料中的占比，从而提高钛酸锂电池整体的比质量容量；并且采用廉价的原料和简单的直接将颗粒分散在待纺溶胶的纺丝方法，适合工业化大规模生产。

技术领域

本发明属于化学电源技术，具体涉及一种钛酸锂-碳纳米纤维柔性无纺布及其制备方法与应用。

背景技术

为了解决环境污染问题和能源枯竭问题，锂离子电池作为新能源，已经被广泛应用于各种便携式电子设备和部分电动汽车当中。然而，人们对锂离子电池的安全性、充电时间等要求日益提高，亟需开发可快速充放电、高安全性、价格低廉、循环寿命长的锂离子电池。另外，随着便携式和可穿戴电子产品的蓬勃发展，超薄可弯曲的柔性锂离子电池受到了人们越来越多的关注。柔性锂离子电池要求电极极片能承受弯曲或者扭曲，并且在弯曲和扭曲时不会造成电池容量衰减和短路。钛酸锂因为其锂离子迁移速率快、循环时零应变以及嵌锂电位高，因此被认为是一种可快速脱嵌锂离子并且高安全性的锂离子电池负极材料。但是钛酸锂的电子导电率很低，属于绝缘材料，导致钛酸锂的倍率性能不佳。为了解决以上问题，钛酸锂材料结合静电纺丝技术进入了人们的视线。

静电纺丝是利用高压静电场对高分子溶液的击穿作用来制备柔性纳微米纤维材料的方法。那么为了提高钛酸锂材料的导电性，常将钛盐和锂盐溶解在待纺溶胶中(溶胶凝胶法)，通过静电纺丝和高温煅烧最终形成柔性的钛酸锂-碳复合纳米纤维。然而受限于钛盐和锂盐的溶解度，最终复合材料中钛酸锂的含量较少，导致组装成电池后电极整体的比质量容量降低(1-2.5V区间内石墨C几乎不贡献容量，但是计算比质量容量时应将石墨C的质量算在内)。另外还有利用水热等方法将钛酸锂纳米颗粒修饰在纤维表面上，这种方法虽然可以一定程度上控制钛酸锂的含量，但是纤维表面的钛酸锂颗粒在电池循环过程中极易聚集和脱落，从而导致电池容量的衰减。

发明内容

发明目的：针对现有技术中的上述缺陷，本申请提供了一种可作为高安全性、可快速充放电的锂离子电池负极极片的钛酸锂-碳纤维柔性无纺布，并提供了其制备方法。

技术方案：本发明所述的一种钛酸锂-碳纳米纤维柔性无纺布的制备方法，包括以下步骤：

(1)取钛源分散液，加入锂源，超声后搅拌，得到第一混合液；

(2)将步骤(1)得到的第一混合液在100-180℃下水热反应4-24小时，然后冷却至室温；

(3)将步骤(2)冷却后的水热反应产物水洗、烘干，得到钛酸锂前驱体纳米颗粒；

(4)取步骤(3)所得钛酸锂前驱体纳米颗粒分散在二甲基甲酰胺中，超声得到第二混合液；

(5)向步骤(4)所得第二混合液中加入聚丙烯腈，搅拌得第三混合液；

(6)将步骤(5)所得第三混合液加入注射器，以0.3-0.5mL/h进行静电纺丝，得到钛酸锂前驱体-聚丙烯腈无纺布；

(7)取步骤(6)得到的钛酸锂前驱体-聚丙烯腈无纺布煅烧得到钛酸锂-碳纳米纤维柔性无纺布。

步骤(1)中，所述钛源分散液浓度为0.5-3mol/L。

步骤(1)中，所述钛源为偏钛酸、钛白粉或者氢氧化钛其中的一种或几种。

步骤(1)中，所述锂源为氢氧化锂、乙酸锂、硝酸锂、碳酸锂、氯化锂中的一种或几种。

步骤(1)中，所述Li:Ti摩尔比＝0.8-1:1。