一種簡易、高效、低成本制備納米鈦酸鋰的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無機(jī)功能材料的制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種簡易、高效、低成本制備納米鈦酸鋰的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池具有工作電壓高、循環(huán)壽命長等顯著優(yōu)勢，已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電子設(shè)備。隨著能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的需要，電動(dòng)汽車已成為新能源領(lǐng)域中最受關(guān)注的行業(yè)之一。目前，商業(yè)化的負(fù)極材料主要是石墨類碳材料，但碳類電極材料易產(chǎn)生鋰枝晶而引起電池短路，存在一定的安全隱患。同時(shí)受碳材料自身結(jié)構(gòu)的限制，不能進(jìn)行快速充放電。
[0003]尖晶石鈦酸鋰(Li4Ti5O12)由于具有在充放電過程中骨架結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生變化的“零應(yīng)變”特性，具有非常優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性；高的嵌鋰電極電位，不與電解液反應(yīng)，不易引起鋰枝晶的產(chǎn)生，具有高的安全性；鋰離子在鈦酸鋰中的擴(kuò)散速度快，可以進(jìn)行快速充放電；此外鈦資源豐富，價(jià)格低廉，這一切使鈦酸鋰成為最具發(fā)展前景的動(dòng)力型鋰離子電池的負(fù)極材料，具有巨大的研宄價(jià)值和商業(yè)應(yīng)用前景。
[0004]但是由于鈦酸鋰材料的電導(dǎo)率較低，使其在大電流密度下的性能并不十分理想。近年來人們研宄發(fā)現(xiàn)材料的納米化可以提高鈦酸鋰倍率性能。當(dāng)前商業(yè)化鈦酸鋰的制備多采用高溫固相法。固相合成法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但是制備的鈦酸鋰材料顆粒尺寸一般較大(微米級(jí)以上)，純度不高，倍率性能不佳。水熱法和溶膠凝膠法是制備納米級(jí)鈦酸鋰材料的兩種最主要方法，但是這兩種方法工藝復(fù)雜，操作條件要求苛刻，難以規(guī)?；a(chǎn)。因此，鈦酸鋰材料的納米化一直是一個(gè)工業(yè)化的難題。劉光印等采用微乳液法在室溫下成功合成出納米鈦酸鋰材料(G.Y.Liu, H.Y.Wang, G.Q.Liu, Z.Z.Yang，
B.Jin，Q.C.Jiang.Facile synthesis of nanocrystal line Li4Ti5O12 by microemuls1nand its applicat1n as anode material for L1-1on batteries.Journal ofPowerSources, 2012，220:84-88)，但是其制備過程復(fù)雜，需要先分別制備含鈦和含鋰的微乳液，然后再混合反應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種簡易、高效、低成本制備納米鈦酸鋰的方法，該制備方法工藝簡單、不需要特殊的設(shè)備、室溫下反應(yīng)、生產(chǎn)成本低、可大規(guī)模生產(chǎn)，并且制備的納米鈦酸鋰顆粒尺寸小、純度高、電化學(xué)性能優(yōu)良。
[0006]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明的簡易、高效、低成本制備納米鈦酸鋰的方法的具體步驟如下:
[0008](I)將表面活性劑、有機(jī)溶劑和醇混合，攪拌形成均勻的乳化體系；
[0009](2)在攪拌的條件下將鈦源加入到步驟⑴所得的乳化液中，繼續(xù)攪拌100-150分鐘；
[0010](3)按去離子水與表面活性劑的摩爾比為1-5000量取去離子水；
[0011](4)按原子比Li/Ti = 0.5-1.8稱取鋰源，在磁力攪拌下溶解于步驟(3)量取的去離子水中；
[0012](5)在磁力攪拌的條件下，將步驟(4)所得到的含鋰水溶液滴加到步驟(2)所得的含鈦的乳化液中，繼續(xù)攪拌30-90分鐘；
[0013](6)將步驟(5)所得到的乳化液室溫下陳化0.5-72小時(shí)，然后破乳、離心分離出沉淀物，分別用去離子水和無水乙醇洗滌，將沉淀物在50-120°C下干燥1-48小時(shí)，最后將干燥好的產(chǎn)物在200-1000°C下熱處理1-48小時(shí)得到納米鈦酸鋰。
[0014]步驟(I)中，所述的表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨、壬基酚聚氧乙烯醚、辛基酚聚氧乙烯醚、烷基酚聚氧乙烯醚、曲拉通TX-100、聚乙烯吡咯烷酮、十二烷基硫酸鈉、十二烷基笨磺酸鈉中的一種或幾種。
[0015]步驟(I)中，所述的有機(jī)溶劑為環(huán)己烷、正己烷、正辛烷、異辛烷、苯、甲苯、二甲苯、二硫化碳、二氯甲烷、乙醚、環(huán)氧丙烷中的一種或幾種。
[0016]步驟(I)中，所述的醇為正己醇、異丙醇、乙醇、正丁醇、正戊醇、正辛醇中的一種或幾種。
[0017]步驟⑴中，有機(jī)溶劑與表面活性劑的摩爾比為:1-10000:1 ;醇與表面活性劑的摩爾比為:1-6000:1。
[0018]步驟(2)中，所述的鈦源為硫酸鈦、鈦酸四丁酯、四氟化鈦、四氯化鈦、四異丙醇鈦、硫酸氧鈦、三氯化鈦、草酸鈦鉀的一種或幾種，
[0019]步驟⑵中，所述的鈦源的濃度為0.01-200mol/Lo
[0020]步驟(2)中，優(yōu)選攪拌120分鐘。
[0021 ] 步驟(5)中，優(yōu)選攪拌60分鐘。
[0022]步驟(6)中，優(yōu)選所述的熱處理溫度為400-900°C。
[0023]本發(fā)明的積極效果如下:
[0024]I)本發(fā)明制備工藝簡單，不需要特殊的設(shè)備；反應(yīng)在室溫下進(jìn)行，能耗?。徊僮骱啽?；反應(yīng)過程中的有機(jī)溶劑、醇和表面活性劑可以回收再利用，生產(chǎn)成本低；可大規(guī)?；a(chǎn)。
[0025]2)本發(fā)明制備的鈦酸鋰材料的粒徑較小(< 100納米)，并且具有較好的分散性；
[0026]3)本發(fā)明制備的鈦酸鋰材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明實(shí)施例3制備的鈦酸鋰材料的X射線衍射圖。
[0028]圖2為本發(fā)明實(shí)施例3制備的鈦酸鋰材料的場發(fā)射電鏡照片。
[0029]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3制備的鈦酸鋰材料的充放電曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面的實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0031]實(shí)施例一
[0032](a)將十六烷基三甲基溴化銨、甲苯和正己醇按一定比例混合，其中甲苯與十六烷基三甲基溴化銨的摩爾比為2000 ;正己醇與十六烷基三甲基溴化銨的摩爾比為1450，攪拌形成均勻的乳化體系；
[0033](b)在攪拌的條件下將一定量的鈦酸丁酯加入到步驟(a)所得的乳化液中，其中鈦酸丁酯的濃度為120mol/L，繼續(xù)攪拌120分鐘；
[0034](c)按去離子水與十六烷基三甲基溴化銨的摩爾比為2800，量取去離子水；
[0035](d)按原子比Li/Ti = 0.8稱取碳酸鋰，在磁力攪拌下溶解于步驟(C)量取的去離子水中；
[0036](e)在磁力攪拌的條件下，將步驟(d)所得到的含鋰水溶液緩慢滴加到步驟(b)所得的含鈦的乳化液中，繼續(xù)攪拌60分鐘；
[0037](f)將上述乳化液室溫下陳化0.5-72小時(shí)，然后破乳、離心分離出沉淀物，分別用去離子水和無水乙醇洗滌數(shù)次，將沉淀物在50-110°C下干燥1-40小時(shí)，最后將干燥好的產(chǎn)物在300-980°C下熱處理1-32小時(shí)得到納米鈦酸鋰。
[0038]實(shí)施例二
[0039](a)將曲拉通TX-100、環(huán)己烷和正丁醇