鈦酸鋰電極材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鋰離子電池領(lǐng)域，特別是涉及一種鈦酸鋰電極材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能行業(yè)的大力發(fā)展，大容量、長(zhǎng)壽命、高安全、快速充電的鋰離子電池的研發(fā)受到廣大的關(guān)注。
[0003]尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰被稱(chēng)為“零應(yīng)變”材料，其安全性高、充放電性能好、循環(huán)性能優(yōu)良、充放電電壓平臺(tái)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，作為鋰離子動(dòng)力電池負(fù)極材料，具有良好的發(fā)展前景。不過(guò)，鈦酸鋰材料的本征電子導(dǎo)電能力和離子導(dǎo)電能力偏低，因此在大電流充放電時(shí)電容量衰減快，倍率性能較差，極大的制約了其作為高倍率負(fù)極材料在鋰離子動(dòng)力電池中的應(yīng)用。
[0004]目前，現(xiàn)有技術(shù)主要將鈦酸鋰與具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的導(dǎo)電劑(如石墨烯，超級(jí)導(dǎo)電炭黑)進(jìn)行復(fù)合摻雜制備電極漿料，以彌補(bǔ)鈦酸鋰材料存在的上述缺陷。但是受其制備及攪拌方法的限制，石墨烯難以在漿料中分散均勻，制得電極的電池容量、放電倍率等性能均不理想，且大多采用有機(jī)溶劑進(jìn)行分散，在溶劑去除時(shí)容易造成環(huán)境污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]基于此，有必要提供一種鈦酸鋰電極材料的制備方法。
[0006]—種鈦酸鋰電極材料的制備方法，包括如下步驟:
[0007](I)將水、蔗糖、曲拉通X-100混合后加石墨烯、碳納米管攪拌，控制水中石墨烯的質(zhì)量濃度為2%?3%，碳納米管的質(zhì)量濃度為I %?3%，鹿糖的質(zhì)量濃度為3%?5%，曲拉通X-100的質(zhì)量濃度為3%?5%，得漿料A;
[0008](2)將所述楽料A投入研磨機(jī)并加入氧化錯(cuò)顆粒進(jìn)行研磨，轉(zhuǎn)速150?250r/min，研磨60?300min，然后于研磨后的漿料A中加入鈦酸鋰進(jìn)行混合攪拌，控制研磨后的漿料A與鈦酸鋰的重量比為(5.5:4.5)?(6:4)，得漿料B;
[0009](3)將所述漿料B進(jìn)行干燥處理后，即得所述鈦酸鋰電極材料。
[0010]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(3)所述干燥處理的方法為:先將所述漿料B投入噴霧干燥機(jī)進(jìn)行高溫300?400°C噴霧干燥得包覆鈦酸鋰材料前驅(qū)體;再將所述包覆鈦酸鋰材料前驅(qū)體投入高溫窯爐，在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下進(jìn)行高溫600?800°C煅燒10-15h。所述煅燒在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下進(jìn)行。
[0011 ]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(I)所述加水?dāng)嚢璧姆椒?采用雙行星式攪拌機(jī)，公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度5?15m/s，自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15?25m/s，攪拌30?60min。
[0012]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(2)所述混合攪拌的方法為:采用雙行星式攪拌機(jī)，公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度5?15m/s，自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15?25m/s，攪拌60?150min。
[0013]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(2)所述氧化錯(cuò)顆粒的直徑為0.5?1mm。
[0014]在其中一個(gè)實(shí)施例中，步驟(3)所述干燥處理后還包括冷卻步驟:將經(jīng)所述干燥處理后的鈦酸鋰材料置于低濕度0.5 % RH?I % RH環(huán)境下冷卻。
[0015]本發(fā)明還提供所述的鈦酸鋰電極材料的制備方法制備得到的鈦酸鋰電極材料。
[0016]本發(fā)明另提供一種鈦酸鋰電極漿料，其由所述的鈦酸鋰電極材料、溶劑和粘結(jié)劑組成，其中所述溶劑與粘結(jié)劑的重量比為(95-97): (3-5)，所述鈦酸鋰電極材料的重量與所述溶劑和粘結(jié)劑的總重量之比為(38?48): 100。
[0017]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述溶劑為N-甲基吡咯烷酮;所述粘結(jié)劑為聚偏二氟乙烯。
[0018]本發(fā)明還提供所述的鈦酸鋰電極漿料的制備方法，包括如下步驟:
[0019](I)將所述溶劑和粘結(jié)劑混合后用雙行星攪拌機(jī)公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度5?15m/s，自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15?25!11/8攪拌100?200111；[11，得混合液；
[0020](2)于所述混合液中投入所述鈦酸鋰電極材料，采用雙行星攪拌機(jī)真空攪拌，真空值-0.07?0.095MPa，公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度5?15m/s，自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15?25m/s，攪拌100?300min，即得所述鈦酸鋰電極漿料。
[0021]本發(fā)明的原理及優(yōu)點(diǎn)如下:
[0022]本發(fā)明所述鈦酸鋰電極材料的制備，采用石墨烯和碳納米管相配合作為導(dǎo)電劑，利用蔗糖與曲拉通XlOO作為助劑，以水為溶劑，對(duì)石墨烯和碳納米管進(jìn)行分散處理，同時(shí)通過(guò)合理設(shè)置各制備步驟以及工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)石墨烯和碳納米管的均勻分散并使石墨烯和碳納米管在鈦酸鋰的表面進(jìn)行包覆，有效提高了鈦酸鋰電極材料的導(dǎo)電性能，其原理如下:
[0023]采用蔗糖與曲拉通XlOO作為分散助劑，其中，蔗糖溶解后可提高水的粘度，起到一定的懸浮作用和分散作用，使石墨烯和碳納米管懸浮于水溶液中不易沉降，水的粘度增大后有益于提高石墨烯和碳納米管的分散效果；曲拉通XlOO為非離子型表面活性劑，可有效提高石墨烯和碳納米管的分散作用，使石墨烯和碳納米管更好的分散，二者配合使用，可有效促進(jìn)石墨烯和碳納米管在水中的均勻分散。然后將分散后的石墨烯和碳納米管漿料在一定工藝條件下單獨(dú)進(jìn)行研磨處理，可獲得顆粒更為均勻的石墨烯和碳納米管，進(jìn)一步促進(jìn)其分散，此時(shí)再與鈦酸鋰進(jìn)行混合，并對(duì)石墨烯和碳納米管漿料與鈦酸鋰的重量比進(jìn)行合理控制，可在后續(xù)干燥過(guò)程中使石墨烯和碳納米管在鈦酸鋰表面形成形態(tài)更為均勻的包覆層，充分發(fā)揮石墨烯和碳納米管的導(dǎo)電性能，進(jìn)而有效提高制得電極的電容量和放電倍率，同時(shí)有利于電極的均勻散熱，減少電池倍率充放電過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題的出現(xiàn)。另由于分散介質(zhì)為水，也避免了有機(jī)溶劑去除所造成的環(huán)境影響。
[0024]進(jìn)一步地，在干燥過(guò)程中對(duì)干燥工藝進(jìn)行控制可獲得更佳的包覆效果。本發(fā)明優(yōu)選為先在高溫300?400°C進(jìn)行噴霧干燥，可去除混合漿料內(nèi)部97 %?98%易揮發(fā)物質(zhì)，有利于石墨烯和碳納米管對(duì)鈦酸鋰包覆的進(jìn)行;再將包覆后的材料投入高溫窯爐在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下進(jìn)行高溫600?800°C煅燒8?15h，使蔗糖在高溫狀態(tài)下碳化，進(jìn)一步提高石墨烯和碳納米管的包覆效果，同時(shí)去除包覆后鈦酸鋰材料所含易揮發(fā)物質(zhì)，減小電極極化，使制得的鈦酸鋰材料具有更好的導(dǎo)電效果，促進(jìn)電極電容量和放電倍率的提高。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0026]采用本發(fā)明所述制備方法制備得到的鈦酸鋰電極材料，導(dǎo)電性能優(yōu)異，可較現(xiàn)有技術(shù)提高電池容量I %?8 %、放電倍率提高I %?5 %、實(shí)現(xiàn)快速充電，同時(shí)可減少電池倍率充放電過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題的出現(xiàn)。
[0027]本發(fā)明所述鈦酸鋰電極材料的制備方法工藝簡(jiǎn)單，易于控制，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，有利于工業(yè)應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例所述鈦酸鋰電極漿料的制備工藝流程圖；
[0029]圖2為現(xiàn)有常規(guī)石墨烯摻雜鈦酸鋰電極漿料的的充放電曲線(xiàn)圖；
[0030]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所述鈦酸鋰電極漿料的的充放電曲線(xiàn)圖；
[0031]圖4為本發(fā)明實(shí)施例2所述鈦酸鋰電極漿料的的充放電曲線(xiàn)圖；
[0032]圖5為本發(fā)明實(shí)施例3所述鈦酸鋰電極漿料的的充放電曲線(xiàn)圖；
[0033]圖6為本發(fā)明對(duì)比例I所述鈦酸鋰電極漿料的充放電曲線(xiàn)圖；
[0034]圖7為本發(fā)明對(duì)比例2所述鈦酸鋰電極漿料的充放電曲線(xiàn)圖；
[0035]圖8為本發(fā)明對(duì)比例3所述鈦酸鋰電極漿料的充放電曲線(xiàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的鈦酸鋰電極材料及其制備方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0037]實(shí)施例1
[0038]本實(shí)施例一種鈦酸鋰電極漿料的制備方法，其工藝流程圖如圖1所示，具體包括如下步驟:
[0039](一)鈦酸鋰電極材料的制備
[0040](I)將去離子水、蔗糖、曲拉通X-100混合后加石墨烯、碳納米管攪拌，控制去離子水中石墨烯的質(zhì)量濃度為2%，碳納米管的質(zhì)量濃度為3%，蔗糖的質(zhì)量濃度為5%，曲拉通X-100的質(zhì)量濃度為3%，采用雙行星式攪拌機(jī)，公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15m/s，自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度20m/s，攪拌60min，得楽料A;
[0041 ] (2)將所述漿料A投入研磨機(jī)并加入直徑為0.5?Imm氧化鋯進(jìn)行研磨，轉(zhuǎn)速200r/min，研磨150min，然后于研磨后的漿料A中加入鈦酸鋰，控制研磨后的漿料A與鈦酸鋰的重量比為5.5:4.5，采用雙行星式攪拌機(jī)，公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15m/s，自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度18m/s，攪拌10min，得漿料B;
[0042](3)先將所述漿料B投入噴霧干燥機(jī)進(jìn)行高溫300?400°C噴霧干燥得包覆鈦酸鋰材料前驅(qū)體;再將所述包覆鈦酸鋰材料前驅(qū)體投入高溫窯爐在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下進(jìn)行高溫恒溫600°C煅燒14h，最后于低濕度0.5 % RH?I % RH環(huán)境下冷卻后至室溫，即得所述鈦酸鋰電極材料，備用。
[0043](二)鈦酸鋰電極漿料的制備
[0044](I)將N-甲基吡咯烷酮(匪P)和聚偏二氟乙烯(PVDF)混合后用雙行星攪拌機(jī)公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15m/s，自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度18m/s攪拌150min，得混合液，所述N-甲基吡咯烷酮和聚偏二氟乙烯的重量比為95:3;
[0045](2)于所述混合液中投入上述鈦酸鋰電極材料，所述鈦酸鋰電極材料與所述N-甲基吡咯烷酮的重量比為38:100，采用雙行星攪拌機(jī)真空攪拌，真空值-0.07?0.095MPa，公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15m/s，自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度18m/s，攪拌200min，即得所述鈦酸鋰電極楽料。
[0046]實(shí)施例2
[0047]本實(shí)施例一種鈦酸鋰電極漿料的制備方法，包括如下步驟:
[0048](一)鈦酸鋰電極材料的制備
[0049](I)將去離子水、蔗糖、曲拉通X-100混合后加石墨烯、碳納米管攪拌，控制去離子水中石墨烯的質(zhì)量濃度為3%，碳納米管的質(zhì)量濃度為I %，曲拉通X-100的質(zhì)量濃度為5%，采用雙行星式攪拌機(jī)，公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15m/S，自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15m/s，攪拌30min，得楽料A ；
[0050](2)將所述漿料A投入研磨機(jī)并加入直徑為0.5?Imm氧化鋯進(jìn)行研磨，轉(zhuǎn)速250r/min，研磨60min，然后于研磨后的漿料A中加入鈦酸鋰，控制研磨后的漿料A與鈦酸鋰的重量比為6:4，采用雙行星式攪拌機(jī)，公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15m/s，自轉(zhuǎn)線(xiàn)速度15m/s攪拌60min