CN107799755B - 钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法，明涉及锂离子电池以及粉末冶金技术领域，解决的技术问题是提供一种不破坏钛酸锂初始形貌，且工艺简单的在钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法。本发明采用的技术方案是：包括以下步骤：S1将二氧化钛颗粒进行溶解处理，生成浆状物；然后按比例添加氢氧化锂，混合均匀并干燥后，得到钛酸锂的前驱体；S2在钛酸锂的前驱体中添加胶体石墨粉作为活性剂，再在氮气的气氛中，烧结3～4h，再冷却至室温，最后得到含有TiN的钛酸锂粉末。本发明原料易得，操作过程简单易行，制得的含有TiN的钛酸锂粉末未破坏钛酸锂初始形貌，提高了其作为负极材料的电子导电性，从而提高了钛酸锂的倍率性能。

Description

钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池以及粉末冶金技术领域，具体为一种对钛酸锂颗粒表面进行改性，使钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法。
背景技术
锂离子二次电池由于具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长等优点，而被广泛用作各种移动设备的电源，储能电站，甚至在航空、航天、航海、汽车、医疗设备等领域中逐步取代其他的传统电池。
目前锂离子二次电池使用的负极材料主要集中于人造石墨，天然石墨，钛酸锂，软碳，硬碳等材料。但是，随着锂离子二次电池在纯电动汽车、混合动力汽车中的普及，其碳系材料显现出诸多的缺点，其最为突出的问题就是安全性能。石墨负极在充放电循环过程中，由于其锂化电压过低0V VS Li/Li+，在充放电循环过程中会产生“固体电解质界面膜”，即SEI膜，这层SEI膜会造成锂离子电池的短路，从而对电池造成***等不良影响。因此，本领域研究人员在不断寻找它的替代品。
钛酸锂(Li4Ti5O12)作为可替代碳系材料的新兴负极材料，具有充放电循环过程“晶胞体积零应变”、放电电压平台高1.55V VS Li/Li+，安全性高、充放电循环性能好等优点。可作为锂离子动力电池负极材料，也可以作为汽车动力电池、大规模储能等锂离子二次电池的负极材料。作为钛系复合材料，钛酸锂导电性较差，这是其作为负极材料必须直接面对的问题。此外，导电性较差，直接造成其在高倍率循环方面具有不良的表现。
为了提高钛酸锂的倍率性能，总体来说，有两种方法：一种方法是将其做成纳米线，另外一种是使用商品化的二氧化钛材料，对其体相掺杂金属粉末，表面修饰碳、高导电性氧氮等物质，以提高它的电子导电性，从而提高它的倍率性能。
在钛酸锂的表面修饰氮化钛，能够增强其表面导电性，同时由于氮化钛具有优异的物理学性能，耐高温、耐酸碱性等优异的抗化学腐蚀性能，所以广泛地应用于钛酸锂颗粒的表面修饰，在金属陶瓷、机械加工，冶金矿产，航天航空，微电子等领域也有应用。
常规的氮化钛表面修饰钛酸锂颗粒的方法，是将已经制备的钛酸锂颗粒，置于还原气氛中焙烧形成氮化钛保护层。例如，公布号为公布号CN 104498982A的专利公开了在钛可溶阳极电解制备金属钛的过程中，在阴极通入氮气，氮气与阴极产生的钛反应生成氮化钛，分离电解质和氮化钛，即得氮化钛产品。由于高温焙烧过程，在表面生成氮化钛的过程中，会造成钛酸锂颗粒的二次团聚，从而造成电极材料与电解液接触比表面积降低，从而造成其电化学性能的降低。
专利CN404928656A公开了在高温的条件下对氧化钛薄膜进进行高温氮化处理，进而得到氮化钛薄膜的方案，但是，其氮化过程要重复十几次，对于初始材料的形貌影响较大。
专利CN1026590872A公开了一种使用醇热方法和氨气处理方法制备氮化钛的方法，在制备过程中需要使用价格昂贵的有机试剂硫酸氧钛酸性溶液，且在处理过程中会产生大量的有机废酸，对环境造成极大的不利影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种不破坏钛酸锂初始形貌，且工艺简单的在钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法，包括以下步骤：
S1.将二氧化钛颗粒与水进行混合，制得浆状物；然后按照钛锂摩尔比5:4～4.5添加氢氧化锂，再在液态状态下混合均匀，干燥得到钛酸锂的前驱体。
S2.在钛酸锂的前驱体中添加质量为钛酸锂的前驱体质量3～7％的胶体石墨粉作为活性剂，再在氮气的气氛中，烧结3～4h，再冷却至室温，最终得到含有TiN的钛酸锂粉末。
优选地，S1步骤中，钛锂摩尔比5:4.2。
优选地，S2步骤中，在钛酸锂的前驱体中添加质量为钛酸锂的前驱体质量5％的胶体石墨粉。
具体是，S2步骤中，在氮气的气氛中700℃，升温速率为5℃/min，烧结3～4h，再冷却至室温。
本发明的有益效果是：钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法中的二氧化钛颗粒为现有的，可直接购买，包覆氮化钛的方法原料易得，操作过程简单易行。制得的含有TiN的钛酸锂粉末未破坏钛酸锂初始形貌，提高了其作为负极材料的电子导电性，从而提高了钛酸锂的倍率性能。
附图说明
图1是根据本发明制得的含有TiN的钛酸锂粉末(记为LTO-TiN)与纯相钛酸锂(记为LTO)的XRD衍射对比图卡。
图2为根据本发明制得的含有TiN的钛酸锂粉末的TEM图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法，包括以下步骤：
S1.将二氧化钛颗粒与水进行混合，制得浆状物，其中二氧化钛颗粒为现有的，直接购买得到。然后，按照钛锂摩尔比5:4添加氢氧化锂，再在液态状态下混合均匀，干燥得到钛酸锂的前驱体。
S2.在钛酸锂的前驱体中添加质量为钛酸锂的前驱体质量5％的胶体石墨粉作为活性剂，然后在氮气的气氛中升温至700℃，升温速率为5℃/min，烧结3～4h；再冷却至室温，最终得到含有TiN的钛酸锂粉末。
记按照上述步骤制得的含有TiN的钛酸锂粉末为LTO-TiN，将LTO-TiN与纯相钛酸锂(记为LTO)分别进行XRD衍射对比。如图1所示，可以清楚地看出，经过掺杂TiN掺杂改性后，在35.97、41.786的衍射位置出现了较为明显的TiN衍射特征峰，这与LTO形成鲜明对比，LTO样品表面为纯相的钛酸锂晶型图卡。如图2所示，根据本发明制得的含有TiN的钛酸锂粉末，随着经过氮化钛修饰掺杂以后，在钛酸锂颗粒的表面形成了较为明显的TiN修饰层。
根据本发明制得的含有TiN的钛酸锂粉末材料相较于纯相钛酸锂的电导率有着较为明显的提高。通过将LTO、LTO-TiN粉末压紧成片后，分别经过四探针电阻测试，其LTO-TiN样品对应的电导率为3.8×10-7Scm-1，LTO样品对应的电阻率为3.2×10-9Scm-1。

Claims (4)

1.钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将二氧化钛颗粒与水进行混合，制得浆状物；然后按照钛锂摩尔比5:4～4.5添加氢氧化锂，再在液态状态下混合均匀，干燥得到钛酸锂的前驱体；
S2.在钛酸锂的前驱体中添加质量为钛酸锂的前驱体质量3～7％的胶体石墨粉作为活性剂，再在氮气的气氛中，烧结3～4h，再冷却至室温，最终得到含有TiN的钛酸锂粉末。
2.如权利要求1所述的钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法，其特征在于：S1步骤中，钛锂摩尔比5:4.2。
3.如权利要求1所述的钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法，其特征在于：S2步骤中，在钛酸锂的前驱体中添加质量为钛酸锂的前驱体质量5％的胶体石墨粉。
4.如权利要求1所述的钛酸锂颗粒表面包覆氮化钛的方法，其特征在于：S2步骤中，在氮气的气氛中的烧结温度为 700℃，升温速率为5℃/min，烧结3～4h，再冷却至室温。
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