專利名稱：一種尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li<sub>1+x</sub>Ti<sub>2</sub>O<sub>4</sub>的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li1+xTi204 (0彡χ彡1)的制備方法，特別是指采用炭黑作為還原劑一步固相反應(yīng)合成具有脫嵌鋰特性的尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li1+xTi204的方法。
背景技術(shù)：
Li1+xTi204 (0彡χ彡1)是一種具有可逆嵌鋰特性的尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體，其電子導(dǎo)電性好，可用作高性能鋰離子電池負(fù)極材料。迄今為止，報(bào)道過的Li1+xTi204固溶體合成方法主要有以Ti203、Li2Ti2O5^ Li2TiO3^ Ti等為原料的固相反法，以LiTi2O4為陰極的電化學(xué)嵌鋰法，以及以LiTi2O4和正丁基鋰為原料的常溫化學(xué)反應(yīng)法。本發(fā)明人曾發(fā)明了碳熱還原一步固相反應(yīng)合成LiTi2O4新方法。但目前還未見到以炭黑、二氧化鈦、碳酸鋰為原料一步固相反應(yīng)合成尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li1+xTi204的研究和報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種制備尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li1+xTi204 (0彡χ彡1)的方法。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是以廉價(jià)易得的炭黑、二氧化鈦和碳酸鋰為原料，三者在一定溫度下發(fā)生氧化還原反應(yīng)，一步合成尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li1+xTi204。其化學(xué)反應(yīng)方程式為(1+x) /2Li2C03+2Ti02+(l+x) C = Li1+xTi204+3 (1+x) /2C0 具體步驟為按原子比Li Ti C= (1.0 2.0) 2 (0. 50 1. 0)分別稱取分析純碳酸鋰、二氧化鈦和炭黑，研磨lOmin，使原料充分混合，將混合物盛于瓷皿或剛玉舟中，置于管式爐或真空爐內(nèi)，控制氬氣流量為20L/h 200L/h或真空度為10-1 ，在700 1300°C 焙燒1 48h，自然降低溫度至常溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，在氬氣保護(hù)下研磨30min，得到粒度為 0. 5 μ m 5 μ m的尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li1+xTi204粉末，其中O < χ彡1。本方法采用炭黑在高溫下將Ti+4還原為Ti+3，避免使用較難制備的Ti2O3、價(jià)格較貴的鈦粉和正丁基鋰作為還原劑。合成產(chǎn)物主要為尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li1+xTi204，僅有含有少量反應(yīng)不完全炭黑，但不影響其電化學(xué)性能；產(chǎn)物的電化學(xué)性能良好，比容量約為 130mAh/g。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備產(chǎn)物的X-射線衍射(XRD)圖譜。圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備產(chǎn)物與金屬鋰組裝成的模擬電池的循環(huán)伏安曲線(掃描速率為0. 5mV/s)。圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備產(chǎn)物與金屬鋰組裝成的模擬電池的恒電流充放電曲線(電流倍率為0. 2C)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 準(zhǔn)確稱取市售分析純乙炔黑0.456g (灰分< 2% )、二氧化鈦6.4566g、碳酸鋰 2. 74Mg (碳酸鋰> 97% )，用行星球磨機(jī)研磨lOmin，將混合物放入50mL瓷舟中，在通氬氣的(氬氣純度彡99.996%，流量為20171!)管式爐中于750°C下焙燒4h，自然冷卻至室溫，然后取出焙燒產(chǎn)物并冷卻至室溫，用行星球磨機(jī)在氬氣保護(hù)下研磨30min，得到粒度為 0. 5 μ m 5 μ m尖晶石結(jié)構(gòu)鈦酸鋰Lk9Ti2O4粉末。X射線衍射儀測(cè)定結(jié)果表明產(chǎn)物主要為尖晶石結(jié)構(gòu)(見附圖1)；其模擬電池Lizli1-Ji2O4的循環(huán)伏安曲線中有一組氧化還原可逆峰，充放電平臺(tái)電位平均約1. 60V(見附圖2)，充放電容量為100 130mAh/g(見附圖3)。實(shí)施例2:準(zhǔn)確稱取市售分析純乙炔黑0. 16g (灰分< 2% )、二氧化鈦2. 1522g (銳鈦礦為主，二氧化鈦彡99% )、碳酸鋰0.9141g(碳酸鋰彡97% )，用行星球磨機(jī)研磨lOmin，將混合物放入50mL的瓷舟中，在通氬氣的(氬氣純度彡99. 996%，流量為20L/h)管式爐中于 800°C下焙燒12h，然后取出焙燒產(chǎn)物并自然冷卻至室溫，用行星球磨機(jī)在氬氣保護(hù)下研磨 30min,得到粒度為0. 5 μ m 5 μ m尖晶石結(jié)構(gòu)鈦酸鋰Li1.15Ti204粉末。X射線衍射儀測(cè)定結(jié)果、電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果與實(shí)施例1類同。充放電平臺(tái)電位平均約1. 60V,比容量為100 130mAh/g。
權(quán)利要求
1. 一種尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li1+xTi204的制備方法，其特征在于具體步驟為 按原子比Li Ti C = (1.0 2.0) 2 (0. 50 1. 0)分別稱取分析純碳酸鋰、 二氧化鈦和炭黑，研磨lOmin，使原料充分混合，將混合物盛于瓷皿或剛玉舟中，置于管式爐或真空爐內(nèi)，控制氬氣流量為20L/h 200L/h或真空度為KT1Pa,在700 1300°C焙燒1 48h，自然降低溫度至常溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，在氬氣保護(hù)下研磨30min，得到粒度為0. 5 μ m 5μπι的尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li1+xTi204粉末，其中O < χ彡1。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li1+xTi2O4(0＜x≤1)的制備方法。按原子比Li∶Ti∶C＝(1.0～2.0)∶2∶(0.50～1.0)分別稱取分析純碳酸鋰、二氧化鈦和炭黑，研磨10min，使原料充分混合，將混合物盛于瓷皿或剛玉舟中，置于管式爐或真空爐內(nèi)，控制氬氣流量為20L/h～200L/h或真空度為10-1Pa，在700～1300℃焙燒1～48h，自然降低溫度至常溫，取出反應(yīng)產(chǎn)物，在氬氣保護(hù)下研磨30min，得到粒度為0.5μm～5μm的尖晶石結(jié)構(gòu)固溶體Li1+xTi2O4粉末，其中0＜x≤1。本發(fā)明工藝流程簡(jiǎn)單，焙燒溫度低，反應(yīng)時(shí)間短，產(chǎn)物電化學(xué)性能優(yōu)良，可用作鋰離子電池和超級(jí)電容器電極材料，具有較大的實(shí)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C01G23/00GK102408126SQ20111024135
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月20日
發(fā)明者李丹, 李蕾, 楊建文, 楊正曉, 石陽, 鄧型深 申請(qǐng)人:桂林理工大學(xué)