一種鋰離子電池複合負極材料的製備方法與流程

2023-12-01 12:57:41 1

本發明屬於鋰離子電池技術領域，具體涉及一種高性能的鋰離子電池複合負極材料。

背景技術：

在全球經濟迅猛發展的同時，我們原有的主要能源：石油、煤炭、天然氣等都是不可再生資源，而這些化石能源在消耗的同時也會產生有害氣體，從而導致環境汙染越來越嚴重，開發新型能源和環境友好型能源有著至關重要的意義。各種電子設備以及電動汽車、混合動力汽車的發展，對為其提供能量的鋰離子電池提出了更高的要求。鋰離子電池具有輸出電壓高、能量密度和功率密度大、循環壽命長等有點，被公認為最有希望的動力電池。目前商用鋰離子電池負極材料大多採用各種嵌鋰碳/石墨材料，但是，碳材料的嵌鋰電位(0～0.26v)與金屬鋰的沉積電位很接近，當電池過充時，金屬鋰可能會在碳電極表面析出而形成鋰枝晶，枝晶進一步生長，則可能刺穿隔膜，造成正負極相接，從而引起短路；此外，碳材料還存在首次充放電效率低、與電解液發生作用、存在明顯的電壓滯後現象、大電流充放電能力低等缺點。尖晶石型鈦酸鋰li4ti5o12是一種「零應變」材料，在鋰離子嵌入脫出的過程中晶體結構能夠保持高度的穩定性，而使其具有優良的循環性能和平穩的放電電壓。且具有相對較高的電極電壓(1.55v)，在整個放電過程中不會出現金屬鋰的析出，大大提高了電極材料使用的安全性。但是最大的不足是其電子電導和離子電導較低，從而在大電流充放電時容量衰減快、倍率性能較差。因此，很有必要開發新型的鈦酸鹽負極材料。

技術實現要素：

為克服現有技術的不足，本發明要解決的技術問題是提供一種鋰離子電池複合負極材料及其製備方法，以期原料來源廣泛，操作簡便、可控性好、重現性高，所得到的材料顆粒較小、粒徑分布均勻、結晶度高，從而在降低材料製備成本的同時，提高材料的電化學性能。

為了解決以上技術問題，本發明是通過以下技術方案予以實現的。

本發明所製備的鋰離子電池負極材料的化學式為：bana2ti6o14-ali3xla2/3-xtio3(llto),其中0.1≤a≤0.4，0.05≤x≤0.15，該負極材料是有亞微米級的粒徑，具有較好的電化學性能。

本發明同時提供了上述鋰離子電池複合負極材料的製備方法，具體步驟如下：

將鋇源、鈉源和鈦源置於球磨罐中，球磨10-14h，然後放於馬弗爐中在400-600℃下預燒4-6h，冷卻至室溫，於球磨機中球磨3-4h，過篩，再放入馬弗爐中於900-1100℃下燒10-15h，冷卻至室溫，球磨24h，即製得寬電位窗口的鋰離子電池負極材料bana2ti6o14前驅體。將鋰源、鑭源、鈦源以及合成好的bana2ti6o14溶解於有機溶劑中，攪拌3-5h，然後放於轉移到密閉反應釜中在160-200℃保溫12h，冷卻抽濾，在80-120℃下乾燥12h，將所得混合物放於馬弗爐中，600-800℃焙燒10-12h得到bana2ti6o14-llto複合負極材料。

所述的鈉源為氫氧化鈉、乙酸鈉、硝酸鈉中的一種。

所述的鋇源為硝酸鋇、碳酸鋇中的一種。

所述製備bana2ti6o14的鈦源為銳鈦礦二氧化鈦、金紅石二氧化鈦以及無定型二氧化鈦中的一種。

所述製備bana2ti6o14-li3xla2/3-xtio3的鈦源為銳鈦礦鈦酸四丁酯和鈦酸異丙酯中的一種。

所述的鋰源為醋酸鋰、氫氧化鋰、硝酸鋰中的一種。

所述的鑭源為乙酸鑭、硝酸鑭中的一種。

所述有機溶劑為乙醇、乙二醇、苯甲醇、丙酮、丙醇、異丙醇、抗壞血酸中的一種。

本發明科學原理：

li3xla2/3-xtio3具有很多的空位，鋰離子較容易在其中移動，在室溫下表現出良好的離子遷移率，這類多晶電解質材料在室溫下晶粒鋰離子電導率高達10-3～10-4s/cm，對於提高鋰離子電池的導電性能有重要作用。因此，利用bana2ti6o14-ali3xla2/3-xtio3複合材料作為鋰離子電池負極材料，既可以避免bana2ti6o14與電解液直接接觸，又可以提高bana2ti6o14的離子遷移率，從而提高了該類負極材料的電化學性能。

與現有技術相比，本發明具有以下技術效果：

1、本發明製備的bana2ti6o14-ali3xla2/3-xtio3複合負極材料可控性好，重現性高。

2、本發明合成的材料顆粒均勻一致、分散性好、結晶度高，得到的材料為亞微米級的粒徑，有利於提高材料的電化學性能。

3、本發明得到的材料具有可觀的寬電位窗口可逆容量、優異的倍率性能和穩定的循環壽命，使得該材料具有很高的實際使用價值，可以有效的滿足鋰離子電池各種應用的實際要求。

4、本發明製備出的鋰離子電池負極材料具有較高的理論容量和快速的充放電性能，提高了鋰離子電池的能量密度和功率密度，所使用原材料廉價易得。

5、本發明降低了鋰元素的使用量，從而降低了成本。

附圖說明

圖1為本發明實施例1中所得bana2ti6o14-ali3xla2/3-xtio3(a＝0.1，x＝0.11)的xrd圖。

圖2為本發明實施例1中所得bana2ti6o14-ali3xla2/3-xtio3(a＝0.1，x＝0.11)的sem圖。

圖3為本發明實施例1中所得bana2ti6o14-ali3xla2/3-xtio3(a＝0.1，x＝0.11)的不同倍率循環性能曲線(放電容量)。

圖4為本發明實施例1中所得bana2ti6o14-ali3xla2/3-xtio3(a＝0.1，x＝0.11)的不同倍率循環性能曲線(充電容量)。

具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例詳述本發明，但本發明不局限於下述實施例。

實施例1

將0.06mol的銳鈦礦二氧化鈦(tio2)、0.02mol乙酸鈉(ch3coona)、0.01mol碳酸鋇(baco3)置於瑪瑙罐中加入適量無水乙醇球磨10h，將瑪瑙罐放入烘箱中60℃烘乾，冷卻至室溫，然後放於馬弗爐中400℃預燒4h，冷卻至室溫，再於1000℃下煅燒10h，冷卻至室溫，球磨24h，過篩後得到負極材料bana2ti6o14前驅體。將0.01molbana2ti6o14、0.00033mol氫氧化鋰(lioh)、0.00056mol硝酸鑭(la(no3)3)和0.001mol鈦酸四丁酯溶解於乙二醇中，攪拌3.5h，然後放於轉移到密閉反應釜中在180℃保溫12h，冷卻，在100℃下乾燥12h，將所得混合物放於馬弗爐中，700℃焙燒12h，冷卻至室溫得到鋰離子電池負極材料bana2ti6o14-0.1li0.33la0.56tio3複合負極材料。x射線粉末衍射(圖1)分析表明所得的所得到的產物為bana2ti6o14-0.1li0.33la0.56tio3複合物，結晶度高。從掃描電子顯微鏡(圖2)分析得知所得產物的顆粒大小均勻一致，粒徑為200-500nm。將所得的產物作為電極材料，在充滿氬氣的手套箱中組裝成實驗扣式鋰離子電池，以50ma·g-1的電流密度在0-3v間進行充放電循環，bana2ti6o14-0.1li0.33la0.56tio3首次放電容量為164.7mah·g-1(圖3)，充電容量為152.2mah·g-1(圖4)。300ma·g-1電流密度的首次放電容量為88.6mah·g-1(圖3)，充電容量為87.3mah·g-1(圖4)，bana2ti6o14-0.1li0.33la0.56tio3顯示了優異的倍率性能。

實施例2

將0.06mol的金紅石二氧化鈦(tio2)、0.0201mol氫氧化鈉(naoh)、0.01mol碳酸鋇(baco3)置於瑪瑙罐中加入適量無水乙醇球磨10h，將瑪瑙罐放入烘箱中60℃烘乾，冷卻至室溫，然後放於馬弗爐中600℃預燒4h，冷卻至室溫，再於900℃下煅燒10h，冷卻至室溫，球磨24h，過篩後得到負極材料bana2ti6o14。將0.01molbana2ti6o14、0.000528mol醋酸鋰(ch3cooli·2h2o)、0.000896mol乙酸鑭和0.0016mol鈦酸四丁酯溶解於乙醇中，攪拌5h，然後放於轉移到密閉反應釜中在160℃保溫12h，冷卻，在80℃下乾燥12h，將所得混合物放於馬弗爐中，600℃焙燒12h，冷卻至室溫得到鋰離子電池負極材料bana2ti6o14-0.16li0.33la0.56tio3複合負極材料。x射線粉末衍射分析表明所得的所得到的產物為bana2ti6o14-0.16li0.33la0.56tio3複合物，結晶度高。從掃描電子顯微鏡分析得知所得產物的顆粒大小均勻一致，粒徑為300-600nm。將所得的產物作為電極材料，在充滿氬氣的手套箱中組裝成實驗扣式鋰離子電池，以50ma·g-1的電流密度在0-3v間進行充放電循環，bana2ti6o14-0.16li0.33la0.56tio3首次放電容量為160.2mah·g-1，充電容量為148.7mah·g-1。300ma·g-1電流密度的首次放電容量為84.6mah·g-1，充電容量為85.4mah·g-1，bana2ti6o14-0.16li0.33la0.56tio3顯示了優異的倍率性能。

實施例3

將0.06mol的無定型二氧化鈦(tio2)、0.02005mol氫氧化鈉(naoh)、0.01mol硝酸鋇置於瑪瑙罐中加入適量無水乙醇球磨10h，將瑪瑙罐放入烘箱中60℃烘乾，冷卻至室溫，然後放於馬弗爐中600℃預燒6h，冷卻至室溫，再於1100℃下煅燒15h，冷卻至室溫，球磨24h，過篩後得到負極材料bana2ti6o14。將0.01molbana2ti6o14、0.000792mol氫氧化鋰(lioh)、0.001344mol硝酸鑭和0.0024mol鈦酸異丙酯溶解於苯甲醇中，攪拌3-5h，然後放於轉移到密閉反應釜中在200℃保溫12h，冷卻，在80℃下乾燥12h，將所得混合物放於馬弗爐中，800℃焙燒12h，冷卻至室溫得到鋰離子電池負極材料bana2ti6o14-0.24li0.33la0.56tio3複合負極材料。x射線粉末衍射分析表明所得的所得到的產物為bana2ti6o14-0.24li0.33la0.56tio3複合物，結晶度高。從掃描電子顯微鏡分析得知所得產物的顆粒大小均勻一致，粒徑為200-700nm。將所得的產物作為電極材料，在充滿氬氣的手套箱中組裝成實驗扣式鋰離子電池，以50ma·g-1的電流密度在0-3v間進行充放電循環，bana2ti6o14-0.24li0.33la0.56tio3首次放電容量為160.2mah·g-1，充電容量為149.1mah·g-1。300ma·g-1電流密度的首次放電容量為85.5mah·g-1，充電容量為84.1mah·g-1，bana2ti6o14-0.24li0.33la0.56tio3顯示了優異的倍率性能。

實施例4

將0.06mol的銳鈦礦二氧化鈦(tio2)、0.02mol乙酸鈉(ch3coona)、0.01mol硝酸鋇置於瑪瑙罐中加入適量無水乙醇球磨10h，將瑪瑙罐放入烘箱中60℃烘乾，冷卻至室溫，然後放於馬弗爐中400℃預燒4h，冷卻至室溫，再於1000℃下煅燒10h，冷卻至室溫，球磨24h，過篩後得到負極材料bana2ti6o14。將0.01molbana2ti6o14、0.001056mol醋酸鋰(ch3cooli·2h2o)、0.001792mol硝酸鑭和0.0032mol鈦酸異丙酯溶解於丙酮中，攪拌4h，然後放於轉移到密閉反應釜中在180℃保溫12h，冷卻，在110℃下乾燥12h，將所得混合物放於馬弗爐中，1050℃焙燒12h，冷卻至室溫得到鋰離子電池負極材料bana2ti6o14-0.32li0.33la0.56tio3複合負極材料。x射線粉末衍射分析表明所得的所得到的產物為bana2ti6o14-0.32li0.33la0.56tio3複合負極材料複合物，結晶度高。從掃描電子顯微鏡分析得知所得產物的顆粒大小均勻一致，粒徑為300-700nm。將所得的產物作為電極材料，在充滿氬氣的手套箱中組裝成實驗扣式鋰離子電池，以50ma·g-1的電流密度在0-3v間進行充放電循環，bana2ti6o14-0.32li0.33la0.56tio3首次放電容量為155.9mah·g-1，充電容量為146.2mah·g-1。300ma·g-1電流密度的首次放電容量為84.6mah·g-1，充電容量為81.5mah·g-1，bana2ti6o14-0.32li0.33la0.56tio3顯示了優異的倍率性能。

實施例5

將0.06mol的金紅石二氧化鈦(tio2)、0.02mol氫氧化鈉(naoh)、0.01mol碳酸鋇置於瑪瑙罐中加入適量無水乙醇球磨13h，將瑪瑙罐放入烘箱中60℃烘乾，冷卻至室溫，然後放於馬弗爐中500℃預燒5h，冷卻至室溫，再於950℃下煅燒13h，冷卻至室溫，球磨24h，過篩後得到負極材料bana2ti6o14。將0.01molbana2ti6o14、0.00132mol氫氧化鋰(lioh)、0.00224mol硝酸鑭和0.004mol鈦酸四丁酯溶解於丙醇中，攪拌5h，然後放於轉移到密閉反應釜中在190℃保溫12h，冷卻，在110℃下乾燥12h，將所得混合物放於馬弗爐中，650℃焙燒12h，冷卻至室溫得到鋰離子電池負極材料bana2ti6o14-0.4li0.33la0.56tio3複合負極材料。x射線粉末衍射分析表明所得的所得到的產物為bana2ti6o14-0.4li0.33la0.56tio3複合物，結晶度高。從掃描電子顯微鏡分析得知所得產物的顆粒大小均勻一致，粒徑為400-800nm。將所得的產物作為電極材料，在充滿氬氣的手套箱中組裝成實驗扣式鋰離子電池，以50ma·g-1的電流密度在0-3v間進行充放電循環，bana2ti6o14-0.4li0.33la0.56tio3首次放電容量為154.5mah·g-1，充電容量為142.6mah·g-1。300ma·g-1電流密度的首次放電容量為80.6mah·g-1(圖3)，充電容量為77.9mah·g-1，bana2ti6o14-0.4li0.33la0.56tio3顯示了優異的倍率性能。

實施例6

將0.06mol的無定型二氧化鈦(tio2)、0.02mol氫氧化鈉(naoh)、0.010mol碳酸鋇置於瑪瑙罐中加入適量無水乙醇球磨14h，將瑪瑙罐放入烘箱中60℃烘乾，冷卻至室溫，然後放於馬弗爐中400℃預燒4h，冷卻至室溫，再於1050℃下煅燒14h，冷卻至室溫，球磨24h，過篩後得到負極材料bana2ti6o14。將0.01molbana2ti6o14、0.00132mol醋酸鋰(ch3cooli·2h2o)、0.00224mol硝酸鑭(la(no3)3)和0.004mol鈦酸四丁酯溶解於異丙醇中，攪拌3.5h，然後放於轉移到密閉反應釜中在160℃保溫12h，冷卻抽濾，在80℃下乾燥12h，將所得混合物放於馬弗爐中，800℃焙燒12h，冷卻至室溫得到鋰離子電池負極材料bana2ti6o14-0.4li0.33la0.56tio3複合負極材料。x射線粉末衍射分析表明所得的所得到的產物為bana2ti6o14-0.4li0.33la0.56tio3複合物，結晶度高。從掃描電子顯微鏡分析得知所得產物的顆粒大小均勻一致，粒徑為200-600nm。將所得的產物作為電極材料，在充滿氬氣的手套箱中組裝成實驗扣式鋰離子電池，以50ma·g-1的電流密度在0-3v間進行充放電循環，bana2ti6o14-0.4li0.33la0.56tio3首次放電容量為151.2mah·g-1，充電容量為147.3mah·g-1。300ma·g-1電流密度的首次放電容量為80.2mah·g-1(圖3)，充電容量為75.2mah·g-1(圖4)，bana2ti6o14-0.4li0.33la0.56tio3顯示了優異的倍率性能。

實施例7

將0.06mol的無定型二氧化鈦(tio2)、0.02mol氫氧化鈉(naoh)、0.01mol碳酸鋇置於瑪瑙罐中加入適量無水乙醇球磨12h，將瑪瑙罐放入烘箱中60℃烘乾，冷卻至室溫，然後放於馬弗爐中450℃預燒5h，冷卻至室溫，再於1100℃下煅燒10h，冷卻至室溫，球磨24h，過篩後得到負極材料bana2ti6o14。將0.01molbana2ti6o14、0.0006mol醋酸鋰(ch3cooli·2h2o)、0.002468mol乙酸鑭和0.004mol鈦酸異丙酯溶解於抗壞血酸中，攪拌3-5h，然後放於轉移到密閉反應釜中在160℃保溫12h，冷卻抽濾，在80℃下乾燥12h，將所得混合物放於馬弗爐中，800℃焙燒12h，冷卻至室溫得到鋰離子電池負極材料bana2ti6o14-0.4li0.15la0.617tio3複合負極材料。x射線粉末衍射分析表明所得的所得到的產物為bana2ti6o14-0.4li0.15la0.517tio3複合物，結晶度高。從掃描電子顯微鏡分析得知所得產物的顆粒大小均勻一致，粒徑為300-800nm。將所得的產物作為電極材料，在充滿氬氣的手套箱中組裝成實驗扣式鋰離子電池，以50ma·g-1的電流密度在0-3v間進行充放電循環，bana2ti6o14-0.4li0.15la0.617tio3首次放電容量為149.7mah·g-1，充電容量為132.8mah·g-1。300ma·g-1電流密度的首次放電容量為78.4mah·g-1，充電容量為73.5mah·g-1，bana2ti6o14-0.4li0.15la0.617tio3顯示了優異的倍率性能。

實施例8

將0.06mol的金紅石二氧化鈦(tio2)、0.02mol氫氧化鈉(naoh)、0.01mol碳酸鋇置於瑪瑙罐中加入適量無水乙醇球磨10h，將瑪瑙罐放入烘箱中60℃烘乾，冷卻至室溫，然後放於馬弗爐中400℃預燒4h，冷卻至室溫，再於1000℃下煅燒10h，球磨24h，冷卻至室溫，過篩後得到負極材料bana2ti6o14。將0.01molbana2ti6o14、0.0018mol氫氧化鋰(lioh)、0.002068mol硝酸鑭和0.004mol鈦酸四丁酯溶解於乙二醇中，攪拌3-5h，然後放於轉移到密閉反應釜中在160℃保溫12h，冷卻抽濾，在80℃下乾燥12h，將所得混合物放於馬弗爐中，1100℃焙燒12h，冷卻至室溫得到鋰離子電池負極材料bana2ti6o14-0.4li0.45la0.517tio3複合負極材料。x射線粉末衍射分析表明所得的所得到的產物為bana2ti6o14-0.4li0.45la0.517tio3複合物，結晶度高。從掃描電子顯微鏡分析得知所得產物的顆粒大小均勻一致，粒徑為400-900nm。將所得的產物作為電極材料，在充滿氬氣的手套箱中組裝成實驗扣式鋰離子電池，以50ma·g-1的電流密度在0-3v間進行充放電循環，bana2ti6o14-0.4li0.45la0.517tio3首次放電容量為148.6mah·g-1，充電容量為142.3mah·g-1。300ma·g-1電流密度的首次放電容量為76.4mah·g-1，充電容量為73.1mah·g-1，bana2ti6o14-0.4li0.45la0.517tio3顯示了優異的倍率性能。