一種鈦酸鋰/碳複合材料及其製備方法和鋰離子電池與流程
2023-05-01 13:56:17 1
本發明涉及鋰離子電池領域，尤其涉及一種鈦酸鋰/碳複合材料及其製備方法和鋰離子電池。
背景技術：
隨著新能源汽車的不斷推廣，市場對於車用電池具有長使用壽命和快速充電能力的需求越來越高。相比燃油車，電動汽車有續航裡程的限制，這就要求在長距離行駛時要進行充電。鋰離子電池由於其高度的安全性和良好的循環穩定性，已經廣泛應用於電動車領域。磷酸鐵鋰電池由於其高度的安全性和良好的循環穩定性，已經廣泛應用於電動車領域，但現有的磷酸鐵鋰-石墨電池存在倍率性能不佳、無法大電流充電的缺點，完成一次充電的時間往往需要幾個小時，這遠遠超出了用戶的承受範圍，大大制約了電動汽車的推廣。因此選用循環穩定性好、倍率性能高的電極材料來組裝電池就顯得十分重要。同時，在大倍率充放電時，由於石墨負極不能快速的完成嵌鋰/脫鋰，導致容量下降、溫升明顯，從而帶來了一定安全隱患。
鈦酸鋰是一種零應變、無記憶效應的層狀材料，作為電極材料它循環穩定性好、倍率性能高，通過使用鈦酸鋰材料能夠在一定程度解決這些問題。但是，由於鈦酸鋰材料本身導電率不高，常常需要添加大量導電劑，造成了有效容量一定的降低。
因此，現有技術還有待於改進和發展。
技術實現要素：
鑑於上述現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種鈦酸鋰/碳複合材料 及其製備方法和鋰離子電池，通過優化電極材料性能來實現鋰離子電池倍率性能改善和循環穩定性提高，可以極大的縮短電池的充電時間，從而使用戶在長距離使用電動車時，可以在短時間內完成充電續航所述鈦酸鋰/碳複合材料是，旨在解決現有的鋰離子電池存在倍率性能不佳、無法大電流充電的問題。
一種鈦酸鋰/碳複合材料的製備方法，其中，包括以下步驟：
將雙氧水與碳化鈦粉末加入到容器中，攪拌均勻；
烘乾；
將得到的粉末與氫氧化鋰按4.5～5.5:4的比例混合後，在氬氣氣氛中600～800℃煅燒，得到鈦酸鋰/碳複合材料。
所述的鈦酸鋰/碳複合材料的製備方法，其中，雙氧水與碳化鈦粉末的質量比為5～10:1。
所述的鈦酸鋰/碳複合材料的製備方法，其中，雙氧水的質量濃度為10～30％；煅燒時間為2h-4h。
一種鈦酸鋰/碳複合材料，其中，採用如上所述的鈦酸鋰/碳複合材料的製備方法製備得到。
一種鋰離子電池，包括正極片、負極片、隔膜、電解液，其中，所述鋰離子電池中採用如上所述的鈦酸鋰/碳複合材料作為負極活性材料。
所述的鋰離子電池，其中，所述鋰離子電池採用磷酸鐵鋰作為正極活性材料。
所述的鋰離子電池，其中，所述正極片中的正極材料包括正極活性材料、導電劑和粘結劑；正極活性材料的重量為正極材料總重量的90～95％，導電劑的重量為正極料總重量的2.5～5％，粘結劑重量為正極材料總重量的2.5～5％；
所述磷酸鐵鋰，中值半徑1.33um，和比表面積20.0m2/g；所述導電劑為導電炭黑和納米碳纖維複合；所述粘結劑為聚偏氟乙烯。
所述的鋰離子電池，其中，所述負極片中的負極材料包括負極活性材料、粘結劑、導電劑；負極活性材料的重量為負極料總重量的90～95％，導電劑的重 量為負極材料總重量的2～5％，粘結劑重量為負極料總重量的3～5％；
所述導電劑為導電炭黑；所述粘結劑為羧甲基纖維素鈉和丁苯橡膠複合。
所述的鋰離子電池，其中，正極材料和負極材料的質量配比為0.85～0.9:1。
所述的鋰離子電池，其中，所述隔膜為聚乙烯溼法雙拉隔膜，厚度10～30um，孔隙率35～50％；所述電解液包括溶劑和鋰鹽，鋰鹽濃度為1mol/L；所述溶劑為EC、EMC、DMC、EA複合；所述鋰鹽為LiPF6。
有益效果：本發明提供了一種高倍率電極材料鈦酸鋰的製備方法，通過優化電極材料性能來實現鋰離子電池倍率性能改善和循環穩定性提高的。該方法與現有製備鈦酸鋰材料的方法相比，操作簡單、反應迅速，合成產品一致性好，得到的鈦酸鋰顆粒尺寸均一(一次粒徑約20nm)、比表面積高、導電性高，能增大與電解液的接觸面積，同時縮短鋰離子擴散路徑，大大提高材料倍率性能。然後，本發明中還提供一種鋰離子電池，用所述鈦酸鋰/碳複合材料和磷酸鐵鋰配對，通過優化正負極配比，組裝的磷酸鐵鋰-鈦酸鋰電池具有優秀的倍率性能好很好的循環穩定性。在5C放電倍率下，容量為1C放電時的93％；5C循環2000次，容量保持率為94％。其倍率性能和循環穩定性與現有的磷酸鐵鋰-鈦酸鋰電池相比，展現了更優異的性能，能滿足將來電動汽車用電池對於快速充電和長使用壽命的要求。對於電動汽車的發展和推廣具有良好的作用。
附圖說明
圖1為本發明實施例中鈦酸鋰/碳複合材料的掃描電鏡結構圖(SEM圖)。
圖2為本發明實施例中碳點的投射圖(TEM圖)。
圖3為本發明實施例中磷酸鐵鋰-鈦酸鋰電池倍率性能圖。
圖4為本發明實施例中磷酸鐵鋰-鈦酸鋰電池循環性能圖。
具體實施方式
本發明提供一種鈦酸鋰/碳複合材料及其製備方法和鋰離子電池，為使本發 明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明所提供的一種鈦酸鋰/碳複合材料的製備方法，包括以下步驟：
將濃度為10％-30％的雙氧水與碳化鈦粉末按照質量比為5～10:1的比例加入到容器中，攪拌均勻；
將得到的淺黃色溶液烘乾；
將得到的淺黃色粉末與氫氧化鋰按4.5～5.5:4的比例混合後，在氬氣氣氛中600～800℃煅燒2h-4h，得到鈦酸鋰/碳複合材料。
所述鈦酸鋰/碳複合材料是鈦酸鋰/碳複合材料，是在製備鈦酸鋰的過程中同步生成導電碳顆粒，同時利用熱還原反應，對鈦酸鋰製造氧空位，提高材料自身的導電性。本發明所提供的鈦酸鋰/碳複合材料的製備方法與現有製備鈦酸鋰材料的方法相比，操作簡單、反應迅速，而且合成產品一致性好，得到的鈦酸鋰顆粒尺寸均一(一次粒徑約20nm)、比表面積高、導電性高，能增大與電解液的接觸面積，同時縮短鋰離子擴散路徑，大大提高材料倍率性能。
本發明中還提供一種鈦酸鋰/碳複合材料，所述鈦酸鋰/碳複合材料是採用上述鈦酸鋰/碳複合材料的製備方法製備得到。
本發明中還提供一種鋰離子電池，包括正極片、負極片、隔膜、電解液，所述鋰離子電池中採用所述鈦酸鋰/碳複合材料作為負極活性材料。
進一步地，所述鋰離子電池採用磷酸鐵鋰作為正極活性材料。由於負極活性材料採用所述鈦酸鋰/碳複合材料作為負極活性材料，提高了複合材料的導電性，縮短鋰離子傳輸距離，顆粒尺寸小、循環穩定性好、倍率性能優異，這樣與磷酸鐵鋰組裝成電池後，能保持良好的倍率性能和循環穩定性。
更進一步地，本發明中通過優化正負極配比，使組裝的磷酸鐵鋰-鈦酸鋰電池具有優秀的倍率性能好很好的循環穩定性。正極材料和負極材料的質量配比為0.85～0.9:1。
其中，所述正極片中的正極材料包括正極活性材料、導電劑和粘結劑。正極活性材料的重量為正極料總重量的90～95％，導電劑的重量為正極料總重量的2.5～5％，粘結劑重量為正極材料總重量的2.5～5％。
所述正極活性材料為商用磷酸鐵鋰，中值半徑1.33um，和比表面積20.0m2/g，大比表面積和小的顆粒尺寸有利於電解液的浸潤和鋰離子的傳輸。所述導電劑為導電炭黑(SP)和納米碳纖維(CNF)複合。所述粘結劑為聚偏氟乙烯(PVDF)。
所述負極片中的負極材料包括負極活性材料、粘結劑、導電劑，負極活性材料的重量為負極料總重量的90～95％，導電劑的重量為負極材料總重量的2～5％，粘結劑重量為負極料總重量的3～5％。
所述負極活性材料為所述鈦酸鋰/碳複合材料，一次顆粒尺寸20nm，團聚後形成多孔隙的大顆粒，導電碳點粒徑約5nm。所述導電劑為導電炭黑(SP)。所述粘結劑為羧甲基纖維素鈉(CMC)和丁苯橡膠(SBR)複合。
以下通過具體的實施例對本發明做進一步的說明。
實施例
1、製備鈦酸鋰/碳複合材料
將濃度為30％的雙氧水與碳化鈦粉末按照質量比為5～10:1的比例加入到容器中，攪拌；
將得到的淺黃色溶液烘乾；
將得到的淺黃色粉末與氫氧化鋰按4.5～5.5:4的比例混合後，在氬氣氣氛中600～800℃煅燒2h，得到鈦酸鋰/碳複合材料。
製備得到的鈦酸鋰/碳複合材料，顆粒尺寸在20nm左右，團聚後形成多孔隙的大顆粒，如圖1所示，而碳是5nm以下的導電碳點組成的，如圖2所示。
2、製備鋰離子電池
所述鋰離子電池，包括正極片、負極片、隔膜、電解液。
所述正極片中的正極材料包括正極活性材料、導電劑和粘結劑。其中，正 極活性材料的重量為正極料總重量的90～95％，導電劑的重量為正極料總重量的2.5～5％，粘結劑重量為正極材料總重量的2.5～5％。所述正極活性材料為商用磷酸鐵鋰，中值半徑1.33um，和比表面積20.0m2/g，大比表面積和小的顆粒尺寸有利於電解液的浸潤和鋰離子的傳輸。所述導電劑為導電炭黑(SP)和納米碳纖維(CNF)複合。所述粘結劑為聚偏氟乙烯(PVDF)。
所述負極片中的負極材料包括負極活性材料、粘結劑、導電劑，負極活性材料的重量為負極料總重量的90～95％，導電劑的重量為負極材料總重量的2～5％，粘結劑重量為負極料總重量的3～5％。所述負極活性材料為所述鈦酸鋰/碳複合材料，一次顆粒尺寸20nm，團聚後形成多孔隙的大顆粒，導電碳點粒徑約5nm。所述導電劑為導電炭黑(SP)。所述粘結劑為羧甲基纖維素鈉(CMC)和丁苯橡膠(SBR)複合。
正極材料和負極材料的質量配比為0.85～0.9:1。
所述隔膜為聚乙烯(PE)溼法雙拉隔膜，厚度10～30um，孔隙率35～50％。
所述電解液包括溶劑和鋰鹽。鋰鹽濃度為1mol/L。所述溶劑為EC(碳酸乙烯酯)、EMC(碳酸甲乙酯)、DMC(碳酸二甲酯)、EA(乙酸乙酯)複合。EC和EMC溶解鋰鹽、DMC和EA降低電解液粘度、提高鋰離子擴散係數。所述鋰鹽為LiPF6(六氟磷酸鋰)。
將製備得到的鋰離子電池測試其性能，如圖3所示，在5C放電倍率下，容量為1C放電時的93％，展現了良好的倍率性能和很好的容量恢復能；如圖4所示，5C循環2000次，容量保持率為94％，保持了良好的循環穩定性。
本發明方案製備得到的鋰離子電池，其倍率性能和循環穩定性與現有的磷酸鐵鋰-鈦酸鋰電池相比，展現了更優異的性能，能滿足將來電動汽車用電池對於快速充電和長使用壽命的要求，對於電動汽車的發展和推廣具有良好的作用。
應當理解的是，本發明的應用不限於上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。