本發(fā)明涉及鋰離子電池制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種鋰離子電池用銩摻雜鈦酸鋰正極材料的制備方法。
背景技術(shù)：
鋰離子電池與鉛酸、鎘鎳等其他類型的電池相比具有比容量大、工作電壓高、充電速度快、工作溫度范圍寬、循環(huán)壽命長、體積小、重量輕、綠色無污染等優(yōu)點。目前，已廣泛應(yīng)用于移動電話、筆記本電腦、電動工具等領(lǐng)域，并且其應(yīng)用范圍越來越廣泛，新型數(shù)碼電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展以對鋰離子電池的能量密度和高可靠性提出了越來越高的要求。
如同其他二次電池一般，正極材料在鋰離子電池中也占據(jù)極高的地位，與負極材料一起決定著鋰離子電池的性能，傳統(tǒng)鋰離子電池中常采用鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰或者鎳鈷錳酸鋰等含鋰的材料作為鋰離子電池的正極材料，近來磷酸鐵鋰材料也越來越成為關(guān)注的焦點，但是這些鋰離子電池正極材料仍舊存在一些缺陷，比如放電容量還是沒有能夠有客觀的提高，克容量也仍舊較小，極大的限制了鋰離子電池成品容量的增長，也限制了鋰離子電池向小型化微型化發(fā)展；限制了鋰離子動力汽車的發(fā)展，在不增加電動力汽車自重的前提下，其續(xù)航里程增長緩慢，甚至難以增長；同樣也限制了手機等移動設(shè)備的續(xù)航能力，由于移動設(shè)備趨向于小型化和輕薄化發(fā)展，也對其搭載的鋰離子電池提出來更高的要求，在需要滿足更小體型和更大容量的要求時，現(xiàn)有的鋰離子電池難以達到類似的要求。這些限制鋰離子電池及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素是鋰離子電池的電極材料的限制，特別是鋰離子電池正極材料的限制，若要打破這種限制，需要開發(fā)一種具有更高放電容量和克容量的鋰離子電池正極材料，這樣才能助力移動設(shè)備往輕薄化和高續(xù)航方向發(fā)展，也才能助力我國的純電動或混合動力汽車的發(fā)展。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種具有更高放電容量和克容量、更加穩(wěn)定的鋰離子電池用銩摻雜鈦酸鋰正極材料的制備方法。
一種鋰離子電池用銩摻雜鈦酸鋰正極材料的制備方法，包括以下步驟：
a）按Li2Ti0.98Tm0.02O3的化學(xué)計量比稱取碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩，使Li、Ti和Tm的摩爾比為2：0.98：0.02，碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩的總重量為100重量份；
b）向步驟a稱取的原料中加入180～280重量份的無水乙醇，并球磨2～4小時，之后取出烘干得到銩摻雜鈦酸鋰原料；
c）向由步驟b制得的銩摻雜鈦酸鋰原料中加入30～35重量份的醋酯纖維和120～140重量份的氯化鉀氯化鈉混合熔鹽，再加入600～650重量份的無水乙醇，并球磨6～8小時，然后烘干；
d）將經(jīng)步驟c處理后的原料，在750～800℃下燒結(jié)4～6小時，燒結(jié)完成冷卻后，用水清洗所得的粉體，并烘干，制得銩摻雜鈦酸鋰正極材料。
銩是一種稀土元素，銩元素的添加可以改善材料的電學(xué)性能，在鈦酸鋰材料中添加微量的銩元素可以改善鈦酸鋰材料的電學(xué)性能，可以提高鈦酸鋰材料的放電容量和克容量。醋酯纖維為微納級的纖維，醋酯纖維強度和彈性都較優(yōu)良，并且微納級的醋酯纖維具有較大的比表面積，能夠吸附大量的原料粉體，特別是能夠吸附大量的經(jīng)無水乙醇潤濕后的原料粉體，使得經(jīng)過燒結(jié)后的銩摻雜鈦酸鋰正極材料具有空心管狀結(jié)構(gòu)；由于本發(fā)明中采用醋酯纖維作為銩摻雜鈦酸鋰正極材料合成的模板，合成的銩摻雜鈦酸鋰正極材料為中空的管狀，并且其管壁為疏松多孔結(jié)構(gòu)，這是由于在煅燒過程中，醋酯纖維受熱分解產(chǎn)生氣體，沖擊四周的銩摻雜鈦酸鋰正極材料所造成的，該種中空的結(jié)構(gòu)可以在充放電過程中防止銩摻雜鈦酸鋰正極材料發(fā)生膨脹，可以改善鋰離子電池的循環(huán)性能。另外，在現(xiàn)有制備醋酯纖維時，往往會添加部分鈦白粉作為無機填料，在本發(fā)明中，醋酯纖維的有機部分在高溫處理時分解，而作為填料的鈦白粉則被保留下來，這部分鈦白粉會以氧化鈦的形式摻雜到銩摻雜鈦酸鋰正極材料中，雖然這部分的氧化鈦含量很少，大概為銩摻雜鈦酸鋰正極材料重量的0.1%，但是這部分氧化鈦摻雜后，進一步改變了鈦酸鋰材料的晶體結(jié)構(gòu)，可以改善銩摻雜鈦酸鋰正極材料的穩(wěn)定性，能有效改善鋰離子電池在充放電循環(huán)過程中容量衰減問題。
作為優(yōu)選，步驟c中的醋酯纖維，其直徑為0.1～1μm，長度5～15μm。
作為優(yōu)選，步驟c中醋酯纖維的長度為5～10μm。
該尺寸的醋酯纖維可以使制得的銩摻雜鈦酸鋰正極材料的尺寸維持在微納級，而且使制得的銩摻雜鈦酸鋰正極材料具有較大的比表面積，在鋰離子電池中使用時，與電解液接觸更加緊密更充分。
作為優(yōu)選，步驟c中的氯化鈉氯化鉀混合熔鹽中，氯化鉀與氯化鈉的摩爾比1：1～1.5。
氯化鈉氯化鉀熔鹽體系具有熔融溫度低，擴散效果好的特點，氯化鈉與氯化鉀摩爾比為1：1～1.5的范圍內(nèi)，體系的熔融溫度為720℃左右，在720℃以上時，整個反應(yīng)體系呈現(xiàn)液態(tài)，其中的銩摻雜鈦酸鋰正極材料的原料反應(yīng)速率加快，反應(yīng)生成的銩摻雜鈦酸鋰正極材料也更加的均勻。
作為優(yōu)選，步驟d中，燒結(jié)時先在600～650℃保溫2～3小時。
由于醋酯纖維是一種在低溫下就會受熱分解的有機纖維，其分解溫度大概為600℃左右，因此在燒結(jié)時，先在600℃左右溫度保溫一段時間，讓醋酯纖維在這個溫度區(qū)間內(nèi)先分解，同時讓原料進行一個預(yù)燒結(jié)過程，使鈦酸鋰材料初步成型，擁有一個中空管狀結(jié)構(gòu)。
作為優(yōu)選，步驟b中球磨的轉(zhuǎn)速為2500～3000rpm，步驟c中球磨的轉(zhuǎn)速為1500～2000rpm。
步驟b中球磨時只是固體無機粉料的混合，高轉(zhuǎn)速可以促進研磨并且使混合更加均勻；而在步驟c中添加了不耐磨的醋酯纖維等材料，為了保證醋酯纖維的完整性，使用低轉(zhuǎn)速對原料進行混合。
因此，本發(fā)明具有以下有益效果：
（1）本發(fā)明中的鋰離子電池用銩摻雜鈦酸鋰正極材料具有更高的放電容量和克容量；
（2）本發(fā)明中的鋰離子電池用銩摻雜鈦酸鋰正極材料為中空管狀結(jié)構(gòu)，其管壁為疏松結(jié)構(gòu)，能夠緩解充放電過程中的體積膨脹問題；
（3）本發(fā)明中利用了醋酯纖維中的無機填料鈦白粉，使其摻雜入銩摻雜鈦酸鋰正極材料的晶格中，改善銩摻雜鈦酸鋰正極材料的穩(wěn)定性，能有效改善鋰離子電池在充放電循環(huán)過程中容量衰減問題。
具體實施方式
下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明。
實施例1
一種鋰離子電池用銩摻雜鈦酸鋰正極材料的制備方法，包括以下步驟：
a）按Li2Ti0.98Tm0.02O3的化學(xué)計量比稱取碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩，使Li、Ti和Tm的摩爾比為2：0.98：0.02，碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩的總重量為100重量份；
b）向步驟a稱取的原料中加入180重量份的無水乙醇，并球磨2小時，之后取出烘干得到銩摻雜鈦酸鋰原料；
c）向由步驟b制得的銩摻雜鈦酸鋰原料中加入30重量份的醋酯纖維和120重量份的氯化鉀氯化鈉混合熔鹽，再加入600重量份的無水乙醇，并球磨6小時，然后烘干；
d）將經(jīng)步驟c處理后的原料，在750℃下燒結(jié)4小時，燒結(jié)完成冷卻后，用水清洗所得的粉體，并烘干，制得銩摻雜鈦酸鋰正極材料。
實施例2
一種鋰離子電池用銩摻雜鈦酸鋰正極材料的制備方法，包括以下步驟：
a）按Li2Ti0.98Tm0.02O3的化學(xué)計量比稱取碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩，使Li、Ti和Tm的摩爾比為2：0.98：0.02，碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩的總重量為100重量份；
b）向步驟a稱取的原料中加入200重量份的無水乙醇，并球磨3小時，之后取出烘干得到銩摻雜鈦酸鋰原料；
c）向由步驟b制得的銩摻雜鈦酸鋰原料中加入32重量份的醋酯纖維和130重量份的氯化鉀氯化鈉混合熔鹽，再加入620重量份的無水乙醇，并球磨7小時，然后烘干；
d）將經(jīng)步驟c處理后的原料，在770℃下燒結(jié)5小時，燒結(jié)完成冷卻后，用水清洗所得的粉體，并烘干，制得銩摻雜鈦酸鋰正極材料。
實施例3
一種鋰離子電池用銩摻雜鈦酸鋰正極材料的制備方法，包括以下步驟：
a）按Li2Ti0.98Tm0.02O3的化學(xué)計量比稱取碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩，使Li、Ti和Tm的摩爾比為2：0.98：0.02，碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩的總重量為100重量份；
b）向步驟a稱取的原料中加入280重量份的無水乙醇，并球磨4小時，之后取出烘干得到銩摻雜鈦酸鋰原料；
c）向由步驟b制得的銩摻雜鈦酸鋰原料中加入35重量份的醋酯纖維和140重量份的氯化鉀氯化鈉混合熔鹽，再加入650重量份的無水乙醇，并球磨8小時，然后烘干；
d）將經(jīng)步驟c處理后的原料，在800℃下燒結(jié)6小時，燒結(jié)完成冷卻后，用水清洗所得的粉體，并烘干，制得銩摻雜鈦酸鋰正極材料。
實施例4
一種鋰離子電池用銩摻雜鈦酸鋰正極材料的制備方法，包括以下步驟：
a）按Li2Ti0.98Tm0.02O3的化學(xué)計量比稱取碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩，使Li、Ti和Tm的摩爾比為2：0.98：0.02，碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩的總重量為100重量份；
b）向步驟a稱取的原料中加入1800重量份的無水乙醇，并球磨2小時，之后取出烘干得到銩摻雜鈦酸鋰原料；球磨的轉(zhuǎn)速為2500rpm；
c）向由步驟b制得的銩摻雜鈦酸鋰原料中加入30重量份的醋酯纖維和120重量份的氯化鉀氯化鈉混合熔鹽，再加入600重量份的無水乙醇，并球磨6小時，然后烘干；醋酯纖維的直徑為0.1μm，長度5μm，氯化鈉氯化鉀混合熔鹽中，氯化鉀與氯化鈉的摩爾比1：1，球磨的轉(zhuǎn)速為1500rpm；
d）將經(jīng)步驟c處理后的原料，先在600℃保溫2小時，再在750℃下燒結(jié)4小時，燒結(jié)完成冷卻后，用水清洗所得的粉體，并烘干，制得銩摻雜鈦酸鋰正極材料。
實施例5
一種鋰離子電池用銩摻雜鈦酸鋰正極材料的制備方法，包括以下步驟：
a）按Li2Ti0.98Tm0.02O3的化學(xué)計量比稱取碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩，使Li、Ti和Tm的摩爾比為2：0.98：0.02，碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩的總重量為100重量份；
b）向步驟a稱取的原料中加入200重量份的無水乙醇，并球磨3小時，之后取出烘干得到銩摻雜鈦酸鋰原料；球磨的轉(zhuǎn)速為2800rpm；
c）向由步驟b制得的銩摻雜鈦酸鋰原料中加入33重量份的醋酯纖維和130重量份的氯化鉀氯化鈉混合熔鹽，再加入630重量份的無水乙醇，并球磨7小時，然后烘干；醋酯纖維的直徑為0.5μm，長度10μm，氯化鈉氯化鉀混合熔鹽中，氯化鉀與氯化鈉的摩爾比1：1.3，球磨的轉(zhuǎn)速為1800rpm；
d）將經(jīng)步驟c處理后的原料，先在630℃保溫2.5小時，再在780℃下燒結(jié)5小時，燒結(jié)完成冷卻后，用水清洗所得的粉體，并烘干，制得銩摻雜鈦酸鋰正極材料。
實施例6
一種鋰離子電池用銩摻雜鈦酸鋰正極材料的制備方法，包括以下步驟：
a）按Li2Ti0.98Tm0.02O3的化學(xué)計量比稱取碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩，使Li、Ti和Tm的摩爾比為2：0.98：0.02，碳酸鋰、氧化鈦和氧化銩的總重量為100重量份；
b）向步驟a稱取的原料中加入280重量份的無水乙醇，并球磨4小時，之后取出烘干得到銩摻雜鈦酸鋰原料；球磨的轉(zhuǎn)速為3000rpm；
c）向由步驟b制得的銩摻雜鈦酸鋰原料中加入35重量份的醋酯纖維和140重量份的氯化鉀氯化鈉混合熔鹽，再加入650重量份的無水乙醇，并球磨8小時，然后烘干；醋酯纖維的直徑為1μm，長度15μm，氯化鈉氯化鉀混合熔鹽中，氯化鉀與氯化鈉的摩爾比1：1.5，球磨的轉(zhuǎn)速為2000rpm；
d）將經(jīng)步驟c處理后的原料，先在650℃保溫3小時，再在800℃下燒結(jié)6小時，燒結(jié)完成冷卻后，用水清洗所得的粉體，并烘干，制得銩摻雜鈦酸鋰正極材料。
檢測與結(jié)果：
1.經(jīng)SEM對制得的銩摻雜鈦酸鋰正極材料進行表面形貌測試可以得知，合成的銩摻雜鈦酸鋰正極材料為中空的管狀結(jié)構(gòu)，管壁粗糙，與模板材料醋酯纖維的形貌相類似；
2.將制得的銩摻雜鈦酸鋰正極材料按照現(xiàn)有技術(shù)組裝鋰離子電池經(jīng)鋰離子電池倍率性能測試，在1C倍率下，放電比容量在160mAh/g以上，在常溫下充放電循環(huán)1000次以上其放電比容量仍舊維持在135mAh/g以上。