CN105514372A - 一种制备钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及锂离子电池制造技术领域,特别是一种制备钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的方法。首先将乙酸锂、乙酸锌、碳源溶于无水乙醇,再加入纳米二氧化钛,分散均匀制得悬浮液;将悬浮液在油浴中蒸干后,真空干燥,并且在保护气体气氛中热处理充分,得到目标产物钛酸锌锂/碳复合负极材料。本发明制备钛酸锌锂/碳复合负极材料工艺简单、安全、成本低廉,所得钛酸锌锂/碳复合负极材料粒径为纳米尺寸,具有较高的充放电容量、良好的倍率性能。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池制造技术领域,特别是一种制备钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的方法。
背景技术
锂离子电池因具有比能量高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应和对环境污染小等优点,已在小型便携式动力设备、电动车及混合电动车等领域广泛应用。目前,商品化的锂离子蓄电池负极材料主要是碳,但是碳负极的电位与锂的电位很接近,电池过充时,金属锂可能在碳电极表面析出而引发安全问题。因此,大量研究工作者开始致力于开发新型负极材料。尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12)被认为是一种很有希望代替碳的负极材料,具有优越的特性:零应变,循环性能优异;不与常用电解液发生反应,安全性好;环境友好,容易制备,成本低等。但是Li4Ti5O12的理论容量(175mAhg-1)较低,其嵌锂电位(vs.1.55Li+/Li)较高,导致全电池的比容量低、能量密度下降。随着电子工业、电动汽车及航空航天技术的进步,对锂离子电池的综合性能提出了更高的要求,尤其包括更高安全性能、低成本、长循环寿命、高功率密度和能量密度。锂离子电池组成材料的性能和制备工艺在很大程度上决定了电池的性能,因此要实现锂离子电池综合指标的突破,至关重要的“瓶颈”是如何设计和发展新型电极材料。
近年来,钛酸锌锂(Li2ZnTi3O8)作为一种新型负极材料,引起研究者们关注。与钛酸锂相比,钛酸锌锂具有明显优势:理论容量较高,嵌锂电位低(约0.5V),有利于提高全电池能量密度。但Li2ZnTi3O8的电导率低,导致其高倍率性能差,这极大制约了其推广与应用,尤其在动力电池这一全球瞩目的领域,材料的高倍率工作特性是决定其能否大规模商业化应用的关键因素之一,因此提高Li2ZnTi3O8的高倍率性能成为目前研究者们关注的核心课题之一。
发明内容
为了改善Li2ZnTi3O8电导率低的等问题,本发明提出了一种制备钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的方法,以提高其高倍率条件下的比容量。
本发明采用的技术方案为:
(1)悬浮液的制备:称量乙酸锂、乙酸锌、碳源(优选酚醛树脂),先后溶于无水乙醇,形成黄色溶液;加入纳米二氧化钛,超声20~60min后磁力搅拌1~3h,制得悬浮液,
其中,乙酸锂,乙酸锌和纳米二氧化钛摩尔比以Li:Zn:Ti=2:1:3计量;酚醛树脂的量按目标产物质量的1~20%计量;
(2)干燥:将步骤1)所述悬浮液在80~90℃的油浴中蒸干后,于100~120℃下真空干燥得钛酸锌锂/碳复合前驱体;
(3)高温反应:将步骤2)所述钛酸锌锂/碳复合前驱体在氩气氛围中热处理至反应完成,得到目标产物钛酸锌锂/碳复合负极材料;其中,所述热处理是在600~800℃下焙烧5~15h。
本发明的有益效果是:本发明首次将酚醛树脂应用于钛酸锌锂电极材料体系中,通过将钛源、锌源、锂源和酚醛树脂球磨混合,制备均匀前驱体,在焙烧过程中,酚醛树脂裂解成碳,均匀的包覆在钛酸锌锂表面,从而合成钛酸锌锂/碳纳米复合材料。
在热处理过程中,酚醛树脂受热分解得到的碳,一方面可以抑制Li2ZnTi3O8在合成过程中颗粒长大,促进小颗粒钛酸锌锂的形成,从而增大了与电解液接触面积、缩短了锂离子的迁移路径,使之具有更好的倍率性能;另一方面,碳提高电子导电性,使电子在大倍率环境工作时传导更顺畅。与已有技术不同之处在于,本发明以含芳香结构的酚醛树脂为碳源,制备钛酸锌锂/碳复合负极材料的工艺简单、安全、成本低廉,所得钛酸锌锂/碳复合负极材料粒径为纳米尺寸,具有较高的充放电容量、良好的倍率性能;其次,酚醛树脂在热处理过程中会裂解生成碳,钛离子是多价的,而碳未改变钛离子价态,未影响Li2ZnTi3O8晶体的形成;此外,酚醛树脂的加入也未导致杂相的生成。
本发明制备的钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料为纯相,粒度分布均匀,具有高倍率性能和良好的循环性能。其中碳含量为6%时,在0.05Ag-1和5Ag-1下的放电容量分别为409mAhg-1和158mAhg-1;在0.5Ag-1下的首次放电容量为236mAhg-1,经历100次的循环后,其放电容量保留为95.8%。
附图说明
图1为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4样品的X射线衍射图。在图1中,横坐标为2θ/°,θ为衍射角。
图2为实施例1和实施例3样品在16万倍下的扫描电子显微镜图。在图2中,A为实施例1样品,B为实施例3样品。
图3为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4样品在0.05A/g下首次充放电曲线。在图3中,横坐标为比容量/mAhg-1,纵坐标电压/V。
图4为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4样品不同倍率下的循环性能。在图4中,横坐标为循环次数,纵坐标为比容量/mAhg-1,充放电电流密度分别为0.05Ag-1、0.1Ag-1、0.2Ag-1、0.5Ag-1、1Ag-1、2Ag-1、3Ag-1、5Ag-1。
图5为实施例1、实施例2、实施例3和实施例4样品在0.5Ag-1下的循环性能。在图5中,横坐标为循环次数,纵坐标为比容量/mAhg-1。
具体实施方式
实施例1
Li2ZnTi3O8纳米负极材料的制备
称量0.04mol二水合乙酸锂和0.02mol二水合乙酸锌,先后加入到200ml无水乙醇中,磁力搅拌至完全溶解,形成无色溶液;加入0.06mol纳米二氧化钛,超声20min,25℃下搅拌1h,制得悬浮液;将该悬浮液在80℃油浴锅中蒸干后,于100℃下真空干燥得到钛酸锌锂前驱体;将钛酸锌锂前驱体在空气氛围中于700℃下热处理10h。样品命名为:LZTO-0。
实施例2
Li2ZnTi3O8/C复合负极材料的制备
称量0.04mol二水合乙酸锂,0.02mol二水合乙酸锌和0.5g酚醛树脂,先后加入到200ml无水乙醇中,磁力搅拌至完全溶解,形成黄色溶液;加入0.06mol纳米二氧化钛,超声20min,25℃下搅拌1h,制得悬浮液;将该悬浮液在80℃油浴锅中蒸干后,于100℃下真空干燥得到钛酸锌锂/碳复合材料前驱体;将钛酸锌锂/碳复合材料前驱体在氩气氛围中于700℃下热处理10h。通过元素分析,所得钛酸锌锂/碳复合材料中碳含量为4.3%。样品命名为:LZTO-1。
实施例3
Li2ZnTi3O8/C复合负极材料的制备
称量0.04mol二水合乙酸锂,0.02mol二水合乙酸锌和0.7g酚醛树脂,先后加入到200ml无水乙醇中,磁力搅拌至完全溶解,形成黄色溶液;加入0.06mol纳米二氧化钛,超声20min,25℃下搅拌1h,制得悬浮液;将该悬浮液在80℃油浴锅中蒸干后,于100℃下真空干燥得到钛酸锌锂/碳复合材料前驱体;将钛酸锌锂/碳复合材料前驱体在氩气氛围中于700℃下热处理10h。通过元素分析,所得钛酸锌锂/碳复合材料中碳含量为6.0%。样品命名为:LZTO-2。
实施例4
Li2ZnTi3O8/C复合负极材料的制备
称量0.04mol二水合乙酸锂,0.02mol二水合乙酸锌和1.0g酚醛树脂,先后加入到200ml无水乙醇中,磁力搅拌至完全溶解,形成黄色溶液;加入0.06mol纳米二氧化钛,超声20min,25℃下搅拌1h,制得悬浮液;将该悬浮液在80℃油浴锅中蒸干后,于100℃下真空干燥得到钛酸锌锂/碳复合材料前驱体;将钛酸锌锂/碳复合材料前驱体在氩气氛围中于700℃下热处理10h。通过元素分析,所得钛酸锌锂/碳复合材料中碳含量为8.1%。样品命名为:LZTO-3。
由图1可知,实施例1、实施例2、实施例3、实施例4所得样品的衍射峰与文献报道一致,表明在前驱体中加入酚醛树脂,并不会影响Li2ZnTi3O8相的形成;
由图2可以看出,纯钛酸锌锂的一次晶粒约为70nm,而钛酸锌锂/碳复合材料的一次晶粒约为40nm。
本发明制备的复合负极材料可采用涂浆法制备锂离子电池用负极。其具体操作是将活性成分(Li2ZnTi3O8)、导电剂Super-Pcarbon、粘结剂LA132按80:10:10的质量比混合,然后均匀涂在铜箔上,经100℃真空干燥后得到负极片。
电化学性能测试:
以上述实施例制备得到的材料为活性成分制成工作电极,金属锂为参比电极,Celgard2400为隔膜,1mol/LLiPF6的EC/DEC/DMC(体积比为1:1:1)溶液为电解液。组装成CR2032扣式电池,在电池测试***上进行恒流充放电性能测试。充电电压范围为0.05~3V。充放电曲线见图3,循环性能图见图4、5。
图3为根据实施例1、实施例2、实施例3和实施例4所得样品在0.05Ag-1下首次充放电曲线,实施例4、实施例3、实施例2和实施例1所得样品具有相似的充放电曲线,表明碳的加入没有影响电化学反应。同时,实施例4、实施例3、实施例2和实施例1所得样品具有1.4V充电平台,而实施例4、实施例3、实施例2所得样品的放电平台(0.74V)高于实施例1所得样品的放电平台(0.5V)。主要原因为:碳包覆提高了材料的电导性,降低了电极极化。
图4为根据实施例1、实施例2、实施例3制得样品在0.05Ag-1、0.1Ag-1、0.2Ag-1、0.5Ag-1、1Ag-1、2Ag-1、3Ag-1、5Ag-1下的循环性能。从图4可以看出,随着Li2ZnTi3O8复合物中碳的质量百分含量增大,Li2ZnTi3O8/C复合物的倍率性能先提高后降低;碳含量为6%时,在0.05Ag-1,3Ag-1,5Ag-1下的放电容量分别为409Ag-1,191Ag-1,158Ag-1,表现出较好的倍率性能。导致这种现象的原因是:随着碳含量的增加,碳能更好的包覆在Li2ZnTi3O8颗粒表面,能更有效的抑制Li2ZnTi3O8颗粒在焙烧过程中长大和团聚,从而有利于小颗粒的Li2ZnTi3O8颗粒形成;另外,碳良好的导电性可以改善颗粒间的接触电导和材料的整体电子电导,增大碳含量,也相应提高了Li2ZnTi3O8/C复合物的导电性。但碳含量过高,会导致碳颗粒之间团聚现象加剧,并不能很好的包覆在Li2ZnTi3O8颗粒表面,从而不能有效的抑制Li2ZnTi3O8颗粒在焙烧过程中长大和团聚,不利于小颗粒的Li2ZnTi3O8颗粒形成,另外,碳含量过高会阻碍电解液通过碳层到达活性材料表面,不利于锂离子的扩散。因此,合适的碳含量才能使Li2ZnTi3O8/C复合物倍率性能更好。
图5是根据实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制得样品在0.5Ag-1下循环性能。可以清楚看出,在0.5Ag-1下,实施例1、实施例2、实施例3和实施例4制得样品首次放电容量分别为194mAhg-1,216mAhg-1,236mAhg-1,208mAhg-1,100次循环后容量保留为92.2%,94.0%,95.8%,93.7%,表明实施例3所得样品具有较好的循环性能。
Claims (8)
1.一种钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的制备方法,其特征在于:所述的制备方法为,
(1)将乙酸锂、乙酸锌、碳源溶于无水乙醇形成黄色溶液,再加入纳米二氧化钛,分散均匀后制得悬浮液;
(2)将步骤(1)中得到的悬浮液在油浴中蒸干后,真空干燥得到钛酸锌锂/碳复合前驱体;
(3)将步骤(2)中得到的钛酸锌锂/碳复合前驱体在保护气体气氛中热处理充分,得到目标产物钛酸锌锂/碳复合负极材料。
2.如权利要求1所述的钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中所述的碳源为酚醛树脂。
3.如权利要求1所述的钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,乙酸锂,乙酸锌、纳米二氧化钛的摩尔比以Li:Zn:Ti=2:1:3计量。
4.如权利要求2所述的钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,酚醛树脂的加入量按步骤(3)中所述目标产物质量的1~20%计量。
5.如权利要求1所述的钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,加入纳米二氧化钛后,超声20~60min后磁力搅拌1~3h,制得悬浮液。
6.如权利要求1所述的钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,油浴温度为80~90℃。
7.如权利要求1所述的钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,真空干燥温度为100~120℃。
8.如权利要求1所述的钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,热处理是在600~800℃下焙烧5~15h。
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