一種碳納米管增強(qiáng)二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料及其制備方法。本發(fā)明首先利用粉末壓片法將真空球磨的碳納米管與鈦粉的混合粉末進(jìn)行壓片，然后進(jìn)行真空熱處理，之后再將所得材料浸泡在氫氧化鈉溶液中恒溫水浴處理，真空干燥后，將所得復(fù)合材料制成粉末，最終制備出鋰離子電池負(fù)極材料。本發(fā)明的有益效果：（1）工藝簡單，生產(chǎn)成本較低，制備過程簡單易行；（2）生產(chǎn)所需儀器與設(shè)備比較成熟，有利于產(chǎn)品的工業(yè)化生產(chǎn)；（3）熱處理時間較短，降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約能源；（4）制備的負(fù)極材料克服了現(xiàn)有二氧化鈦低電傳導(dǎo)率和低鋰離子擴(kuò)散能力的缺陷，具有優(yōu)異的循環(huán)性能。
【專利說明】 一種碳納米管增強(qiáng)二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋰離子電池制造領(lǐng)域，涉及一種鋰電池負(fù)極材料及其制備方法，特別是涉及一種采用碳納米管摻雜的二氧化鈦的負(fù)極材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池?fù)碛懈吣芰棵芏?、高功率密度、安全性能好、循環(huán)壽命長的特點，而且不含有鉛、鎘、汞等污染物質(zhì)，是一種較為理想的儲能器件。隨著當(dāng)前電動汽車等高電量需求的電動工具及筆記本電腦等便攜式電器的高速發(fā)展，其對鋰離子電池的容量提出了越來越高的要求。目前已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)的鋰離子電池負(fù)極材料是碳類材料，其理論比容量為372mAh/g,已經(jīng)不能滿足未來電力設(shè)備的需求。
[0003]二氧化鈦相對于其他負(fù)極材料而言，具有如下優(yōu)點:
一、在鋰離子嵌入和脫出的過程中，二氧化鈦的體積膨脹非常小(約為3%)，因此嵌入和脫出的行程短，利于鋰離子的內(nèi)部傳輸；
二、二氧化鈦的嵌鋰電位約為1.75V，與碳材料相比稍高，可避免負(fù)極表面出現(xiàn)鋰枝晶的問題；
三、由于二氧化鈦難溶于有機(jī)電解液中，在嵌鋰脫鋰時結(jié)構(gòu)變化小，可避免材料的體積、形狀變化引起結(jié)構(gòu)破壞，因此有利于提高循環(huán)性能和使用壽命。
[0004]二氧化鈦的理論比容量與碳相當(dāng)，但在作為負(fù)極時其低電傳導(dǎo)率和低鋰離子擴(kuò)散系數(shù)等缺陷大大影響了二氧化鈦發(fā)揮其優(yōu)良的電化學(xué)性能。因此，采用環(huán)保的制備方法獲得納米二氧化鈦為基體的可大電流充放電的高容量負(fù)極材料成為當(dāng)前研究的重點。
[0005]目前，在鋰離子電池的研究中，已經(jīng)有大量的研究致力于利用碳納米管、碳納米纖維、中間相碳微球中形成納米級的孔、洞，使得鋰離子在這些改良后的納米級材料中能夠更多的貯存，有鑒于此，以碳材料為基礎(chǔ)的納米材料用作高鋰儲量負(fù)極的研究日益受到國內(nèi)外的重視。
[0006]碳納米材料性能優(yōu)越，除具有常規(guī)納米材料所具有的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)等納米效應(yīng)外，往往還具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，極高的強(qiáng)度等獨特的特性，因而被極為廣泛的應(yīng)用于當(dāng)今科學(xué)研究領(lǐng)域。其中備受矚目的碳納米材料主要有碳納米管和石墨烯。碳納米管作為一維納米材料，重量輕、六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來。
[0007]碳納米管(CNTs)均具有優(yōu)良的力學(xué)性能與良好的導(dǎo)電性，與二氧化鈦進(jìn)行復(fù)合時，對納米二氧化鈦負(fù)極材料性能的提升起到了極大作用。Yosuke Ishii等人通過水熱法制得介孔的碳與二氧化鈦復(fù)合材料[Ishii Y et al (2010) J Phys Chem Solids 71(4):511 ]首次循環(huán)容量達(dá)到了 230mAh /g，比銳鈦型二氧化鈦容量要高，但是其循環(huán)能力較差。Cao et al等人開發(fā)出一種由鈦酸四丁酯的受控水解制備Ti02/CNTs殼核納米結(jié)構(gòu)的方法[Cao F-F et al (2010) Chem Mater 22(5): 1908]。該 Ti02/CNTs 復(fù)合材料在作為鋰電池電極時的容量(238mAh /g在電流密度5000mAh /g)比沒有摻雜碳納米管的TiO2容量(62mAh/g在電流密度5000mAh /g)要高出三倍。
[0008]介孔結(jié)構(gòu)在一定程度上可以緩沖二氧化鈦與鋰合金化過程中的體積膨脹，達(dá)到提高材料循環(huán)性能的目的。目前被廣泛研究的二氧化鈦結(jié)構(gòu)主要有納米陣列、中空納米球以及介孔結(jié)構(gòu)等。介孔結(jié)構(gòu)中，材料中存在大量的孔隙，能為二氧化鈦在鋰離子嵌入與脫出的體積變化帶來巨大的緩沖空間，緩沖鋰離子嵌入脫出時晶格變化所產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，從而使該類型材料作為負(fù)極材料時，在充放電過程中，鋰離子多次嵌入脫出之后，依舊能保持其原有的形態(tài)。因介孔結(jié)構(gòu)二氧化鈦負(fù)極材料具備如此優(yōu)異的性能，得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]針對上述現(xiàn)有的二氧化鈦負(fù)極材料低電傳導(dǎo)率和低鋰離子擴(kuò)散能力等問題，本發(fā)明提供一種碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法。
[0010]一種碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰離子電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
一、利用粉末壓片法將真空球磨后的碳納米管與二氧化鈦混合粉末壓片；
二、將步驟一制備的材料進(jìn)行真空熱處理；
三、將步驟二的所得材料浸泡在氫氧化鈉溶液中恒溫水浴處理后，洗滌、真空干燥、研磨成粉末。
[0011]優(yōu)選的，步驟一所述的混合粉末中碳納米管占碳納米管與鈦粉總質(zhì)量的百分比為5%-15%。
[0012]優(yōu)選的，所述二氧化鈦純度99.9%,粒徑500目。
[0013]優(yōu)選的，碳納米管長度2 μ m，直徑20_30nm。
[0014]優(yōu)選的，步驟一所述的真空球磨工藝參數(shù)如下:
【權(quán)利要求】
1.一種碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 一、利用粉末壓片法將真空球磨后的碳納米管與鈦粉混合粉末壓片； 二、將步驟一制備的材料進(jìn)行真空熱處理； 三、將步驟二的所得材料浸泡在氫氧化鈉溶液中恒溫水浴處理后，洗滌、真空干燥、研磨成粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，步驟一所述的混合粉末中碳納米管占碳納米管與鈦粉總質(zhì)量的百分比為5%-15%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于:所述鈦粉純度99.9%，粒徑500目。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于:碳納米管長度2 μ m,直徑20-30nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，步驟一所述的真空球磨工藝參數(shù)如下:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，步驟一所述的混合粉末的壓片處理，厚度2~3_，壓力3~4MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，步驟二所述的真空熱處理條件為熱處理溫度800-1100°C，熱處理時間2-2.5h。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，步驟三所述的NaOH溶液濃度為1-3IH01L-1。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料的制備方法，其特征在于，步驟三所述的恒溫水浴條件為水浴溫度6(T80°C，水浴時間1.5~2h。
10.一種碳納米管增強(qiáng)的二氧化鈦鋰電池負(fù)極材料，其特征在于:用權(quán)利要求1一9任一所述的制備方法制備而成。
【文檔編號】H01M4/48GK103762368SQ201410051464
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年2月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月16日
【發(fā)明者】林建國, 蔣文娟, 劉靜, 馬增勝 申請人:湘潭大學(xué)