鋰離子電池用納米鈦酸鋰負極材料及其制法和應用的制作方法

本發明涉及鋰離子電池領域，主要涉及鋰離子電池負極材料領域，具體涉及一種高比表面積的鋰離子電池用納米鈦酸鋰負極材料及其制法和應用。
背景技術：
：鋰離子二次電池由于具有能量密度高、工作電壓高、循環壽命長等優點，而被廣泛用作各種移動設備的電源，儲能電站，甚至在航空、航天、航海、汽車、醫療設備等領域中逐步取代其他的傳統電池。作為近年來出現的鋰電池電動車(如日本豐田產普瑞斯，美國特斯拉公司產的特斯拉電動車等，比亞迪公司產F6鐵電池電動車，以及各地近年推出的電動大巴等)，以及電貯存能站等，其使用特點是將大量能量密度高的鋰離子電池集中存放在一起，通過電能管理系統進行充放電等使用。在上述設備的商業化過程中，鋰離子二次電池的充/放電倍率性能一直是各生產廠商及應用終端客戶密切關注的重點領域，燃料驅動與電力驅動就像煤氣炒菜和電阻爐炒菜的區別一樣，電力輸出通常是一個平緩的過程，煤氣則可以大范圍的調節。以中高檔車為例，啟動時每百公里耗時多少秒是汽車性能參數的重要指標，而汽車在啟/停過程中通常需要有較大的功率輸出，如驅動力替換為鋰離子二次電池，就涉及到鋰電池的倍率尤其是放電倍率性能，如果電池的充/放電倍率大，則電池在單位時間內輸出的功率就大，就能滿足不同工況下的需求。在鋰離子化學電源體系中，通常是由鋰離子的轉移實現能量的輸出，其涉及到正極，負極，隔離膜，電解質等多種固/液體多孔介質之間的電子轉移(鋰離子電池的電化學阻抗譜分析，莊全超；徐守冬；邱祥云；崔永麗；方亮；孫世剛《化學進展》2010.22(6)P1044-1057)，放電電流過大時，鋰離子來不及嵌入正極材料中，往往會在負極/隔離膜孔，正極表面(含顆粒)形成高活性的金屬鋰單質，長期使用會帶來嚴重的安全問題，充電過程中同樣會因電流過大出現金屬鋰富集于鋰電池內部各界面的問題。因此如何平衡能量輸出和電池的安全性成為鋰離子電池尤其是動力電池急需要解決的問題。目前鋰離子二次電池使用的負極材料主要集中于人造石墨，天然石墨，鈦酸鋰，軟碳，硬碳等材料，除石墨及鈦酸鋰外，其他材料因本身優點/缺點過于明顯，目前尚未在鋰電池材料產業大規模應用。相對于石墨材料而言，鈦酸鋰材料是一種由金屬鋰和低電位過渡金屬鈦的復合氧化物，屬于AB2X4系列，可被描述成尖晶石固溶體，空間點群為Fd3m空間群，晶胞參數a為0.836nm，電導率為10-9S/cm，盡管電導率差，由于其結構上具有三維鋰離子通道，因而材料的快充/快放性能較好，在動力電池及儲能市場有較好的應用前景。鈦酸鋰材料最早是研究應用于快離子導體及鋰電池用正極，1996年加拿大研究者K.Zaghib首次提出采用鈦酸鋰作為負極與高電壓正極材料組成鋰電池，與碳電極組成電化學電容器，之后相關的開發應用研究才如火如荼展開。如能在其耐快充/快放性能的基礎上解決大倍率放電，則可以進一步優化材料的電化學性能，擴大材料在鋰電池中的應用優勢，目前基于環保要求，除發展重在替換燃油汽車的xEV用動力電池外，還有每臺汽車上的點火用鉛酸電池需要替換，該市場體量巨大，經濟社會效應明顯，同時迫于環境的要求市場上仍舊有大量的鉛酸電池需要替換升級。在如何進一步改進鈦酸鋰倍率放電的方法上，科學家提出了2種思路。1種是將鈦酸鋰材料納米化，將其制備成超細納米材料，甚至于形成以超細納米材料的二次球結構，但該方法合成工藝苛刻，成本高企，典型如美國阿托菲納公司的鈦酸鋰產品。一種是基于可商業化的普通鈦酸鋰材料來改進/提高材料的比表面積，比表面積增大后，材料與電解質的接觸面積增大，提高了鋰離子的擴散通道，從而達到提高充/放電倍率的目的。本發明技術，為獲得高比表面積的鈦酸鋰正極材料，在合成的過程中應用阻隔劑的高溫穩定性，通過合理的工序設計將鈦酸鋰原料合成區域間隔為一個個微小區域，避免了材料在合成過程中因鋰的助熔性而導致的合成材料比表面積降低的缺陷，通過優化工序，開發了簡單可行的合成工藝。同時上述阻隔劑又可以在后續工序中干法脫除。不影響發明物鈦酸鋰的電化學性能。很多公開和專利文獻已經提出了通過負極材料的表面改性提高電池安全性的方法。專利CN101373829B公開了一種Li4Ti5O12/Mx(M為Al，Mg，Cu，Ag，Ni，Co，Mn，Cd，Pb，Bi，Sn，Ge的金屬單質或者是化合物，以及B，Si，P的單質或者是化合物)，上述M所含有的元素或離子進入鈦酸鋰晶格點陣或者與之復合，同時在Li4Ti5O12/Mx外還要形成5～50nm厚的Ti，Al，Mg，Zr，Cu，Ag，Sn，乙炔黑的包覆層。處理時先濕法混料，烘干后采用氮氣或者是氬氣保護下一次燒結成產品。專利CN105129844A公開了一種固相法制備鈦酸鋰復合負極材料，其是將二氧化鈦和碳酸鋰經球磨后一次燒結得到鈦酸鋰，再將制備的鈦酸鋰與金屬錫及其化合物球磨后進行二次燒結得到金屬-鈦酸鋰復合材料，該專利是利用金屬單質良導體的性能改進鈦酸鋰材料的使用性能，與文獻HuangSH，WenZY，ZhangJC，eatl.SolidStateIonics，2006，177:851-855；HuangSH，WenZY，LinB，eatl.JournalofAlloysandcompounds，2008，457:400-403)通過在鈦酸鋰表面摻雜銅或者Ag的單質提高材料本體的導電性獲得高倍率的方法相似。專利CN101172646A公開了一種經鈦，鋰無機化合物原料，以有機酸或銨鹽為配位劑采用Sol-gel方法合成凝膠前驅體，再將前驅體燒結，制備疏松多孔，粒度范圍為0.5～10μm的鈦酸鋰。專利CN102633300A公開了一種碳包覆鈦酸鋰負極材料制備方法，其采用碳源為葡萄糖，蔗糖，乳糖，檸檬酸，乙炔黑，活性碳粉中的一種或者幾種，先將鈦源，鋰源和碳源進行干態粉碎，粉碎后混合再加入絮凝劑制備液體漿料，再將液體漿料在100℃下烘干，在還原氣氛中500～800℃保溫8～20h進行一燒，進行一燒后粉碎，壓實制備成壓實密柱體(類似于藥片丸)，再將藥處狀物料升溫至600～950℃進行二次燒結后粉碎，研磨即得到產品。專利CN101841017A公開了一種鈦酸鋰/碳/碳納米管復合材料制備方法，先經濕法將銳鈦型二氧化鈦，碳納米管經分散制備得到復合前驅物，再用有機物(碳源)表面包覆前驅物，再經惰性氣氛下熱處理即得到發明物。文獻(LiuH，FengY，WangK，etal.JournalofPhysicsandChemistryofSolid，2008，69:2037-2040)采用在鈦酸鋰表面包裹一層碳來提高材料的倍率性能。專利CN102122710A公布了一種鋯(Zr)摻雜鈦酸鋰制備方法，鋯質量含量為0～6.0wt％，以銳鈦型二氧化鈦，鋰鹽及鋯的化合物采用固相法制備得到。專利CN101920989A公開了一種制備Li2MTi3O8(M為鋅，鈷，鎂，銅)納米材料的方法，先用燒堿溶液與二氧化鈦溶液在160～200℃高壓下反應48～96小時，然后用鹽酸中和洗滌再加入鋰鹽在乙醇中攪拌混合，再經550～850℃燒結3～7h制備得到納米材料。專利CN105261748A公開了一種納米反應器制備負極材料單分散體的方法。采用正硅酸乙酯(TEOS)與水原位反應制備中空介孔作為納米微反應器，再向溶液中加入經有機酸包覆的TiO2粉末制備成漿料并生成TiO2/SiO2核-殼結構物，將此物質與鋰鹽混合后于800～1000℃下燒結制備負極材料，再將此材料經NaOH溶液洗滌脫除硅成分得到顆粒大小，形貌可調節的負極，同時防止顆粒團聚。其中硅成分在粉體為納米尺寸下能否完全在溶液中脫除未知，對于本發明有一定啟發意義。專利CN103274453B公開了一種新型碳氮摻雜TiO2制備碳氮摻雜鈦酸鋰負極材料的方法。其先將TiO2與同時作為碳源與氮源的離子液體(如咪唑類，吡啶類，季銨鹽類等)混合置于真空/憜性氣氛中鍛燒冷卻，再將生成的碳氮摻雜TiO2與碳酸鋰研磨均勻，在真空/憜性條件下2～5℃升溫300～500℃保溫2h，再以同樣升溫速率升溫至500～800℃燒結得到目標產物。專利CN104813508A公開了一種Li4+x-yFe3yTi5-2yO12(0＜y≤1尤其是0.2≤y≤1，且0≤x≤3)，添加Li2SO4，Li2S(粒徑≤20nm)到鋰鹽和二氧化鈦中，再添加石墨/淀粉作為造孔劑，煅燒后脫碳或者是不脫碳，再引入鐵源制備鈦酸鐵鋰，在其形成的孔中同時存在硫，最終形成鋰硫電池的電極。根據研究鈦酸鋰的BET不是越大越好，BET越大越易吸附水分且易殘留游離鋰，在制備漿料時不穩定且需要較多的非活性成份黏接劑，甚至于需要對基材作增附著力處理如涂布底層非活性物。比較適合工業用的鈦酸鋰BET在3～12m2/g之間。專利CN104752708A公開了一種由Li2TiO3制備尖晶石型Li4Ti5O12方法，將單斜晶系或者是立方晶系(50nm～15μm)TiO2按Li/Ti＝2:1，加入0～3％石墨在空氣氛下400～700℃下2～30h制備Li2TiO3，再將Li2TiO3與TiO2/偏鈦酸(2:3)在600～850℃空氣氛下燒結2～30h，同樣需要加石墨，乙炔黑，聚乙二醇，聚乙烯酮，糖等物質。技術實現要素：本發明解決的技術問題是：上述專利及文獻顯示的結果均未提及阻隔技術，盡管合成氣氛為氧化/還原氣氛，但主要為摻/包還原性的導電碳，其中的碳源在焙燒后的不定量存在會影響到生產過程中的化學計量問題，不能保證批次間的穩定性和可適用性，且其中的包碳工序主要是借鑒磷酸鐵鋰材料開發的已公開專利技術，且與本發明存在較大的解決倍率性能的思路差別。同時工序復雜，經濟可行性欠佳。本發明的目的是：通過添加阻隔劑在原料合成時形成微型隔離區，可避免“鋰熔”效應降低合成的鈦酸鋰材料的比表面積，從而較方便的制備出高比表面積鈦酸鋰負極材料。在合成時同樣可以加入少量摻雜元素原位合成改性鈦酸鋰，工序簡單高效，經濟性非常好，為鋰電xEV、儲能(ESS)等領域中的高倍率安全應用提供更實用的解決方法。為解決上述技術問題，本發明提供一種制備高比表面積鈦酸鋰材料，合成工藝及其在鋰電池中的應用。其中原料鈦源為偏鈦酸，二氧化鈦，電池級碳酸鋰，電池級單水氫氧化鋰，或者是M(鑭，鎂，釔等的氧化物或鹽的一種或幾種)，以及少量阻隔劑，目標產物為納米鈦酸鋰，其中鈦酸鋰的結構式為LixTiyMaOz(其中x＝1.95～4.21，y＝3～5，z＝6～12，0＜a≤0.07)，其中M為鋁(Al)、鎂(Mg)、釔(Y)、鑭(La)、鋯(Zr)，鈰(Ce)其中一種或多種元素，含量0.01wt％～0.3wt％，該鈦酸鋰負極材料可應用于動力型電動車，移動存貯電源，儲能電站設備中的鋰離子二次電池，該制備方法工藝簡單可行，產品在不改變原材料基本性能的基礎上,使電池倍率性能得以顯著提升。同時本發明還提供了一種倍率型鋰離子二次電池，該鋰離子二次電池例如包括以下部分：電極、電解質、隔膜、容器。其中電極包括正極和負極，正極包括正極集流器和涂覆在正極集流器上的正極活性物質層；負極包括負極集流器和涂覆在負極集流器上的本發明負極活性物質層；隔膜可以是單純的固體多孔絕緣層，容器是正極、負極、隔膜、電解質的具備一定形態的包容體。具體來說，針對現有技術的不足，本發明提供了如下技術方案：一種鋰離子電池用納米鈦酸鋰負極材料，其特征在于，所述鈦酸鋰的結構式為LixTiyMaOz，其中1.95≤x≤4.21，3≤y≤5，6≤z≤12，0＜a≤0.07，M為摻雜元素，選自鋁、鎂、釔、鑭、鋯和鈰的其中一種或兩種以上元素，其中M元素占鈦酸鋰的質量分數為0.01wt％～0.3wt％。優選的，上述負極材料中，所述a的范圍為0＜a≤0.03。優選的，上述負極材料中，所述鈦酸鋰負極材料的粒徑(D50)為0.1-6.0μm，比表面積為5-50m2/g，優選為5-12m2/g。本發明還提供上述鋰離子電池用納米鈦酸鋰負極材料的制備方法，包括下述步驟：(1)按化學計量比將含有鋰元素、鈦元素和摻雜元素的化合物原料與阻隔劑混合，加入溶劑，混合后進行研磨；(2)將步驟(1)所得混合物在300～860℃還原氣氛下進行燒結；(3)在350～700℃氧化氣氛中進行燒結，得到所述負極材料。優選的，上述制備方法中，在步驟(1)之后和步驟(3)之后還包括除磁的步驟，除磁過程的磁場強度為9000-12000Gs。優選的，上述制備方法中，所述阻隔劑選自片狀天然石墨，片狀針狀焦，微晶石墨，焦炭粉，增碳劑、炭粉和乙炔黑中的一種或兩種以上，其添加量占化合物原料和阻隔劑總量的0.1-6.0wt％。優選的，上述制備方法中，所述阻隔劑的粒徑范圍為0.1-100μm。優選的，上述制備方法中，所述含有鈦元素的化合物原料選自二氧化鈦或偏鈦酸。優選的，上述制備方法中，所述含有鋰元素的化合物原料選自碳酸鋰、單水氫氧化鋰。優選的，上述制備方法中，所述含有摻雜元素的化合物選自氧化物、碳酸鹽、硝酸鹽、硫酸鹽或醋酸鹽；添加量占合成鈦酸鋰負極原料和阻隔劑總質量的0.1wt％～0.7wt％。優選的，上述制備方法中，所述步驟(2)包括下述步驟：將所述混合物進行兩次燒結，第一次燒結的溫度為700-860℃，恒溫時間為2-6h，第二次燒結的溫度為300-600℃，恒溫時間為2-6h。本發明還提供一種鋰離子電池用鈦酸鋰負極材料，由上述制備方法制備得到。本發明還提供一種鋰離子電池，使用上述負極材料制備得到。本發明還提供上述鋰離子電池在鋰電能源領域的應用。本發明的優點是：本發明采用阻隔離劑技術，與現有其他工藝相比，突破了以往氧化氣氛下合成鈦酸鋰的傳統觀念，通過在還原氣氛下合成高比表面積鈦酸鋰，然后再在氧化氣氛下將阻隔劑去除的方法高效合成高比表面積鈦酸鋰負極材料。并可視情況加入導電碳，碳納米管等導電劑以進一步提高全電池的電化學性能。附圖說明圖1為制備鈦酸鋰負極材料的工藝流程圖。圖2-a、2-b、2-c、2-d、2-e分別為實施例1、實施例2、實施例3、實施例8和實施例9的掃描電鏡圖，放大倍數為10000倍。圖3為實施例2、實施例7和實施例8制得的扣式電池的容量測試結果圖。圖4為實施例3、實施例8和實施例9制得的全電池循環測試結果。圖5為實施例2、實施例3和實施例8制得的全電池倍率檢測結果。具體實施方式鑒于目前碳酸鋰負極材料的制備方法不能保證批次間的穩定性和可適用性，本發明提供一種高比表面積納米碳酸鋰負極材料，通過向合成原料中添加阻隔物，物理研磨，低溫燒結后制備得到。本發明提供一種制備高比表面積納米鈦酸鋰負極材料的方法，以及鈦酸鋰負極材料在鋰離子二次動力電池中的應用。其中鈦酸鋰的結構式為LixTiyMaOz(其中x＝1.95～4.21，y＝3～5，z＝6～12，0＜a≤0.07)，其中M為鋁(Al)、鎂(Mg)、釔(Y)、鑭(La)、鋯(Zr)、鈰(Ce)其中一種或多種元素，含量0.01wt％～0.3wt％，以及在合成時加入的一種含碳類阻隔材料，阻隔材料選材廣泛，有利于在合成過程中防止玻璃熔融態物質的形成，從而制備高比表面積的鈦酸鋰負極材料，由于鈦酸鋰比表面積大，與電解質接觸面積大，因而充/放電倍率性能及容量發揮，平臺極化電壓低，可以應用于應用于動力型電動車，移動存貯電源，儲能電站設備的鋰離子二次電池中。該制備方法工藝簡單可行，產品在不改變原材料基本性能的基礎上，使電池安全性能，電化學性能得以顯著提升。用本發明技術制造的負極材料與現有同類型負極材料比較，可以表現出優越的的倍率性能和更好的電化學性能。具體地，制備本發明所述鈦酸鋰負極材料的工藝流程如圖1所示，包括下述步驟：將原料除磁后，研磨分散并除磁，在還原氣氛下燒結冷卻后粉碎，再在氧化氣氛下燒結，冷卻粉碎除磁后得到所述鈦酸鋰負極材料。一種優選的實施方式中，本發明提供一種高比表面積鋰離子電池用鈦酸鋰負極材料的制備方法及工藝。其特征在于：通過合成中加入阻隔劑合成比表面積較大的鈦酸鋰材料，從而提高鈦酸鋰負極材料的充/放電倍率性能，以及循環及安全性能，減少全電池充放電過程中的極化。進而能擴大應用于鋰離子動力電池體系中。其中，鈦酸鋰的結構式為LixTiyMaOz(其中x＝1.95～4.21，y＝3～5，z＝6～12，0＜a≤0.07)，其中M為鋁(Al)、鎂(Mg)、釔(Y)、鑭(La)、鋯(Zr)，鈰(Ce)其中一種或多種元素，含量0.01wt％～0.3wt％，通過在合成過程中加入一種阻隔劑，防止材料在燒結過程中局部形成玻璃態結構降低材料的比表面積，從而制備出高比表面積的負極材料。其中，所述鋰離子用鈦酸鋰材料的制備方法是按目標摩爾配比原料時加入0.1-6.0wt％左右的阻隔劑一起混料，混料后在惰性氣氛下650～860℃下合成物料，物料經粉碎后再經350～700℃空氣/氧氣氣氛下燒結去除阻隔劑，同時對材料進行煺火處理，冷卻后粉碎除磁即得到目標產物。其中，所述的采取在鈦酸鋰負極材料合成中加入一種阻隔劑，其特征主要為片狀天然石墨，片狀針狀焦，微晶石墨，焦炭粉，增碳劑、炭粉、乙炔黑等的一種或幾種，其粒徑范圍為0.1-100μm不等，純度(有效碳含量)在98.0wt％～99.7wt％之間，易于研磨破碎，鐵含量5～100ppm。其中，所述鋰離子用鈦酸鋰負極材料中，合成鈦酸鋰的原料鈦源為偏鈦酸，二氧化鈦；原料鋰源為電池級碳酸鋰，單水氫氧化鋰，以及其他供改性的金屬氧化物或可溶性鹽，如硝酸鑭，氧化釔，硝酸釔，硫酸釔，硫酸鈰，氧化鈰，氧化鎂，醋酸鎂等。其中，金屬氧化物的粒徑為0.1～5.0μm，上述物質按金屬氧化物計添加量為0.1wt％～0.7wt％。其中，所述鈦酸鋰材料的粒徑(D50)為0.1-6.0μm，比表面積為5-50m2/g，優先為5～12m2/g。此外，為改善該包覆材料的電化學性能，可以視情況在進行的摻雜改性，如與導電碳，碳納米管等導電劑復合，以及在后續電池電極片制作中添加導電碳。其中，所述的提高鋰離子二次電池倍率性能，是采用本發明鈦酸鋰負極材料所制成的電池較采用相同普通正極材料所制成電池，其倍率性能有較明顯改善，可以實現50C的充/放電。電池充/放電曲線極化電壓差有明顯的減少，安全性能得到改善。其中，所述的新型鋰離子電池用負極材料的制備方法及工藝中，上述材料可直接應用于動力型鋰離子二次電池，移動式存貯設備，儲能電站及其結構中。下面通過具體實施例來說明本發明所述納米碳酸鋰材料及其制備方法和應用。下面實施例中所用到各試劑和儀器來源如表1及表2所示。表1實施例中用到的試劑及型號信息表表2實施例所用到的設備信息一覽表實施例1納米鈦酸鋰負極材料的制備稱取20kg天然鱗片石墨粉(D50:0.1μm，純度為99.6％，鐵含量80ppm)于高速配料罐中，再依次加入362.9kg二氧化鈦(D50:0.1μm，純度為98.0％)，117.94kg電池級碳酸鋰(D50:4.6μm，純度為99.5％)，2.27kg納米三氧化二鋁，6.1kg異丙醇鋁，以及142kg無水乙醇，攪拌分散均勻后用隔膜泵。泵入砂磨機開啟速度為2500rpm進行循環砂磨，等待粒度(D50)降低至200nm出料并清潔砂磨機，將制備的漿料通過電除磁機進行除磁(磁場強度12000Gs)，除磁后的漿料先用烘箱100℃/5h烘干，烘干后物料呈蓬松狀，再將物料加入到陶瓷缽中，在通N2推板窯中先5℃/min升溫至550℃，恒溫2h，再5℃/min升溫至750℃保溫8h降溫出料，將制備的灰色粉料用氣流渦旋粉碎機粉碎后(主機26rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)，再將粉料重新裝缽，在通空氣氣氛下600℃2h處理，冷卻后再次用氣旋渦流粉碎機粉碎(主機25rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)，電除磁機除磁(磁場強度:11500Gs)即得到本發明物淺藍色Li2Ti3Al0.02O7，收率97％，磁性物質(采用磁子吸附法測定，磁子磁場強度：5800Gs，取300g粉料加入300g去離子水混合后加入磁子并將塑料容器密封，在寶石拋光機上旋轉有吸附30min，再將磁子吸附出來用去離子清洗，清洗后將磁子及其殘留物一起放入酸潰消解，并將消解液定量后進行ICP測試計算得到磁性物質含量，ppb＝μg/Kg)含量57ppb。實施例2納米鈦酸鋰負極材料的制備稱取0.4kg微晶石墨于混料罐中，然后再稱取43.5kg偏鈦酸粉末(D50:20μm，純度為98.0％)及15.65kg電池級單水氫氧化鋰(D50:20μm，純度為99.6％)，0.1kg納米氧化鎂，以及20kg去離子水，攪拌均勻后用球磨機(轉速15rpm)研磨6h，研磨到粒度6μm后出料，將制備的漿料通過電除磁機進行除磁(磁場強度12000Gs)，再在150℃條件下烘干得到蓬松的粉末，再將粉末放置于馬弗爐中，通氬氣40min置換馬弗爐中的空氣，然后再以10℃/min升溫至600℃穩定2h，再9℃/min升溫至700℃保溫5h降溫出料得灰色粉末，再將粉末用小型氣流粉碎機粉碎(主機28rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)后，重新裝缽放入空氣氣氛馬弗爐中350℃燒結6h脫除阻隔劑降溫，再經氣流粉碎機粉碎(主機25rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)，電除磁機除磁(磁場強度:11500Gs)即得到白色的鈦酸鋰(Li4Ti5Mg0.03O12)粉末，收率96.5％，磁性物質125ppb。實施例3納米鈦酸鋰負極材料的制備稱取15kg煉鋼用焦炭粉末，依次加入453.63kg二氧化鈦(D50:0.5μm，純度為99.0％)，148.4kg電池級碳酸鋰(D50:3.3μm，純度為99.5％)，1.52kg納米氧化釔，以及265kg的去離子水于混料罐中混合均勻，然后用隔膜泵泵入陶瓷砂磨機中循環研磨(3500rpm)2h，至粒度(D50)至2μm，將制備的漿料通過電除磁機進行除磁(磁場強度9000Gs)，出料后將漿料轉入鼓風干燥箱中140℃烘2h出料，將物料加入到回轉窯中，通入二氧化碳保護氣30min置換空氣，然后再以15℃/min升溫至400℃穩定4h，再5℃/min升溫至830℃保溫2h降溫出料得灰色粉末，再將粉末用球磨機粉碎后(主機27rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)，重新裝缽放入無保護氣氛回轉窯爐中600℃燒結5h脫除阻隔劑降溫，再經球磨粉碎機粉碎(主機25rpm，間隔操作，物料與聚氨酯球重量比1:1.5)，電除磁機除磁(磁場強度:11500Gs)即得到淺藍色的鈦酸鋰(Li2Ti3Y0.007O7)粉末，收率97.3％，磁性物質含量81ppb。實施例4納米鈦酸鋰負極材料的制備稱取1.2kg增碳劑，21.76kg偏鈦酸(D50:100μm，純度為98.0％)，6.98kg電池級碳酸鋰(D50:8.5μm，純度為99.6％)，0.15kg六水硝酸鑭，以及13kg無水乙醇于混料罐中，經充分混合后將膏狀漿料加入到雙螺旋擠出機(轉速40rpm)中循環擠出，視漿料黏度變化適當補充無水乙醇，待漿料混合均勻后出料在80℃下烘干物料得到塊狀物，將此塊狀物裝缽后放入經氮氣置換的馬弗爐中，以8℃/min升溫至500℃并穩定4h，再以3℃/min升溫至750℃保溫5h后降溫冷卻，并用氣旋渦流粉碎機粉碎物料(主機25rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)，，再將粉碎的物料重新裝缽在馬弗爐中通空氣500℃2h氧化去除增碳劑成份，降溫后粉碎(主機23rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)，電除磁機除磁(磁場強度:11500Gs)，除磁得到白色鈦酸鋰粉末(Li4Ti5La0.007O12)，收率97.3％，磁性物質含量81ppb。實施例5納米鈦酸鋰負極材料的制備稱取12.1kg針狀焦，326.4kg偏鈦酸(D50:20μm，純度為96.3％)，111.22kg電池級單水氫氧化鋰(D50:15μm，純度為99.6％)，1.42kg五水硝酸鋯，以及195kg去離子水于混料罐中，攪拌分散均勻后用隔膜泵泵入砂磨機中分散(轉速3000rpm)4h，監測到物料粒度(D50)3μm左右出料，將制備的漿料通過電除磁機進行除磁(磁場強度11000Gs)，在120℃下烘干后將物料裝缽，在放入經氬氣置換并保持氬氣氛條件下以25℃/min升溫至500℃穩定5h，再以8℃/min升溫至860℃下保溫7h，降溫至300℃停止通入氬氣，再降溫至60℃以內出料，物料經氣旋渦流粉碎機粉碎(主機25rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)后重新裝缽，放入空氣氣氛的推板窯中升溫至500℃2h處理后降溫出料，物料經氣流粉碎機粉碎(主機250rpm，進氣壓力:8atm)，通過電除磁機進行除磁(磁場強度9000～12000Gs)，除磁后得到到白色鈦酸鋰(Li4Ti5Zr0.004O12)，收率96.8％，磁性物質52ppb。實施例6納米鈦酸鋰負極材料的制備稱取0.2kg乙炔黑，16.3kg二氧化鈦(D50:5μm，純度為99.8％)，5.5kg電池級碳酸鋰(D50:7.4μm，純度為99.5％)，0.07kg四水硫酸鈰于攪拌罐中，再加入7.0kg無水乙醇調制成漿料，將調制好的漿料加入到雙螺旋擠出機循環擠壓(轉速30rpm)，視情況補加少量無水乙醇調節黏度，直到物料的粒度(D50)達到4μm左右出料，再在100℃2h條件烘干物料，烘干后將物料轉移至經二氧化碳置換馬弗爐中并繼續通入二氧化碳氣體，以20℃/min升溫至400℃穩定4h，再以5℃/min升溫至800℃下保溫5h，降溫至300℃停止通入二氧化碳氣體，再降溫至60℃以內出料，物料經氣旋渦流粉碎機粉碎(主機26rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)后重新裝缽，放入不通氣氛的馬弗爐中升溫至400℃4h處理后降溫出料，物料經粉碎(主機25rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)，通過電除磁機進行除磁(磁場強度11000Gs)，后得到淺藍色鈦酸鋰粉末(Li2Ti3Ce0.005O7)，收率98.2％，磁性物質53ppb。實施例7(對比例1)納米鈦酸鋰負極材料的制備按與實施例1相同的配比不添加微晶石墨制備漿料，通過電除磁機進行除磁(磁場強度10500Gs)，再在150℃條件下烘干得到蓬松的粉末，再將粉末放置于馬弗爐中，通氬氣40min置換馬弗爐中的空氣，然后再以15℃/min升溫至600℃穩定2h，再9℃/min升溫至830℃保溫2h降溫出料得白色粉末，再將粉末用小型氣流粉碎機粉碎后(進氣壓力:8kg)，重新裝缽放入無保護氣氛馬弗爐中600℃燒結2h降溫，再經氣流粉碎機粉碎(主機250rpm，進氣壓力:8atm)，通過電除磁機進行除磁(磁場強度11500Gs)，即得到淺藍色的鈦酸鋰(Li2Ti3Al0.02O7)粉末，收率98.0％，磁性物質65ppb。實施例8(對比例2)納米鈦酸鋰負極材料的制備按與實施例4相同的物料量不添加增碳劑，經充分混合后將膏狀漿料加入到雙螺旋擠出機(轉速40rpm)中循環擠出，視漿料黏度變化適當補充無水乙醇(工業級)，待漿料混合均勻后出料在100℃下烘干物料得到快狀物，將此塊狀物裝缽后放入經氮氣置換的馬弗爐中，以8℃/min升溫至300℃并穩定6h，再以3℃/min升溫至750℃保溫5h后降溫冷卻，并用氣旋渦流粉碎機粉碎(進氣壓力:5kg)物料，再將粉碎的物料重新裝缽在馬弗爐中通空氣300℃4h處理，降溫后粉碎(主機250rpm，進氣壓力:5kg)，通過電除磁機進行除磁(磁場強度11500Gs)，除磁得到白色產物(Li4Ti5La0.007O12)，收率98.2％，磁性物質含量78ppb。實施例9(對比例3)納米鈦酸鋰負極材料的制備按實施例2配比不添加微晶石墨制備漿料，將制備的漿料通過電除磁機進行除磁(磁場強度11500Gs)，除磁后的漿料先用烘箱120℃/2h烘干，烘干后物料呈蓬松狀，再將物料定量加入到陶瓷缽中，在通N2推板窯中先10℃/min升溫至550℃，再15℃/min升溫至850℃保溫2h降溫出料，將制備的白色粉料用氣旋渦流粉碎機粉碎(主機26rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)后，再將粉料重新裝缽，在通空氣氣氛下600℃2h處理，冷卻后再次用氣旋渦流粉碎機粉碎(主機23rpm，進料頻率700Hz，分級450Hz)，通過電除磁機進行除磁(磁場強度11500Gs)，即得到白色產物(Li4Ti5Mg0.03O12)收率98.3％，磁性物質98ppb。實施例10(對比例4)對比例4與實施例2的制備方法類似，區別僅在于，納米氧化鎂的添加量為0.5kg，用實施例2相同的方法制備得到鈦酸鋰(Li4Ti5Mg0.15O12)粉末。結果表明，與實施例2相比，對比例5所得負極材料比表面積2.2m2/g，碳含量0.01wt％，硫含量0.09wt％，磁性物質123ppb。制備的材料比表面積較低，經配料后制備得到的鋰電池漲氣嚴重，充/放電極化效應明顯(充/放電平臺電壓差約0.3V)。實施例11(對比例5)對比例5與實施例2類似，區別僅在于：去除在空氣氣氛馬弗爐中350℃燒結6h脫除阻隔劑的步驟。結果表明，與實施例2相比，對比例5所得負極材料比表面積為2.6m2/g，碳含量為0.02wt％，硫含量為0.15wt％，磁性物質為322ppb，比表面積同樣較小，同時由于制備過程中揮發成份的減少，導致雜質硫成份偏高，其制備得到的鋰電池漲氣嚴重，充/放電極化效應明顯(充/放電平臺電壓差約0.28V)，比容量發揮偏低(130mAh/g)，同時鋰電池的循環性能惡化(常溫1C/1C循環221周循環后容量保持率59％。實施例12納米鈦酸鋰負極材料的表征將上述實施例1～實施例9制備得到的粉體分別進行掃描電鏡(SEM)，比表面測試，碳硫分析儀(HW2000B)等分析，同時按磁子吸附法吸附磁性物質，經酸消解后用ICP檢測磁性物質含量。得圖2-a～圖2-e，表3的結果。其中，比表面積按國家標準GB/T19587-2004《氣體吸附BET法測定固態物質比表面積》進行測定。由圖3可見，實施例制備的材料在10000倍顯微鏡下觀察顆粒粒度均勻，無大小顆粒團聚現象，而對比例(實施例8和實施例9)則呈現明顯的大顆粒團聚現象，說明阻隔劑的確可以起到阻隔的效果，有益于鈦酸鋰材料的合成。同時由表3可見，實施例鈦酸鋰的比表面積在3～10m2/g之間，對比例比表面通常小于3m2/g，通常如此小的顆粒組合物其比表面積非常大，比表面積如此小只能說明顆粒表面因鋰的熔融效應可能已局部生成了類玻璃態物質，通常玻璃態物質離子導電率較差，這是制備鋰電池材料需要克服的，加入阻隔劑能有效的抑制顆粒間富聚鋰元素，從而還可避免局部生成不同鋰鈦比的鈦酸鋰，保證鈦酸鋰電性能的發揮。表3實施例比表面積/碳/硫含量測試結果實施例磁性物質含量(μg/kg，ppb)比表面積(m2/g)碳含量(wt％)硫含量(wt％)實施例1578.360.010.07實施例21256.630.00080.09實施例5529.610.0120.07實施例6539.020.010.12實施例7658.460.010.08實施例8783.710.010.09實施例9982.330.010.14由表3可見，采用本發明的工藝路線處理后材料的碳含量非常低，材料呈白色或者是淺藍色，表明阻隔劑在氧化氣氛下的煅燒過程中已得到完全去除，去除后的鈦酸鋰在后期制備電極片前仍舊需要添加導電炭/石墨等改善導電性，在進行正負極容量平衡時便于計算。材料中的硫普遍含量較高，可能與鈦源制備過程中采用硫酸法或者是氯化法制備有關，以及鈦源中自身帶有的硫元素導致。實施例13扣式電池的制備和表征稱取70gN-甲基吡略烷酮(NMP)于實驗用分散機容器中，開啟攪拌，在攪拌的情況下加入計量的5g聚偏氟乙烯粉末，等膠黏劑完全溶解后再稱取5g導電碳黑(SP)加入到上述溶液中，高速分散60min后，分別取實施例2，7，8制備的最終粉碎物料90g加入到上述溶液中，分散1.5h后降低攪拌速度出料備用。取厚度為16μm鋁箔作為集流體，將上述制備的漿料均勻涂布于鋁箔上并在干燥箱中烘干，烘烤溫度為105℃，烘烤時間為1h。將制備的極片壓實制成負極極片，極片活性物質壓實密度為1.8g/cm3，活性物厚度約為85μm，總厚度約為100μm，制備CR2032型扣式電池，對電極為金屬鋰片(上海產，99.9％)，電解液為LBC301，扣電制作后靜置10h上機測試。在常溫下，用2000型電池測試系統(8點藍點測試設備，武漢藍電電子有限公司)對電池進行容量測試，電壓為0.05V～2.50V，充放電流程為1.0～2.5V，充放電倍率為0.1C，對應電流密度均為1mA/cm2，得圖3的結果。容量測試的過程為：在25℃條件下，將化成后的半電池以0.1C恒流充電至截止電壓2.5V，然后以0.1C恒電流放電至截止電壓1V，循環三次，根據第3次放電容量的平均值計算負極材料的客容量，即圖3中的比容量：克容量C＝C放電/(M電池-M鋁箔)*0.83其中，C為負極材料的比容量mAh/g；C放電為三次放電容量的平均值mAh；M電池為負極極片的質量g，M鋁箔為鋁箔的質量g,0.83為極片中活性物質鈦酸鋰的含量(Loading)。由圖3可見，采用本發明類制備的材料0.1C比容量可達162mAh/g，已達到目前商業應用級別，而對比組(實施例7和實施例8)未添加阻隔劑制備的材料比容量均低于160mAh/g，表明鈦酸鋰材料的容量發揮與比表面積及材料本身的一致性有較大關系。實施例14全電池的制備和熱箱表征將實施例1、實施例2、實施例8，實施例9按方形電池設計制備成容量為2.0Ah左右動力電池。制作全電池主要用于考察循環，倍率及安全性效果。其中所評估適用的品種為卷繞結構954261型鋁塑膜軟包裝電池，制作的電池厚度為9.5mm，長度為4.2mm，寬度為6.1mm。電池設計容量為2.0Ah。本實施例中所使用的正極材料為鎳鈷錳酸鋰，正極材料極片制備通常由制備漿料，涂布及冷壓，分切等工藝制成：先將黏接劑溶解在N-甲基吡咯烷酮中得到混合液，然后將活性物質與導電劑碳黑分別加入混合液中，形成正極漿料，活性物質、導電劑和黏接劑的質量比為95％：3％：2％，再將漿料涂覆于鋁箔集流體上，120℃下烘干讓溶劑揮發，將涂布完的電極卷軋后切掉多余集流體，在模具上沖出實驗規格的正極片，真空烘干水分。其中，極片中有效正極活性物質含量為95％，極片涂布重量為0.21g/cm3，極片涂布寬度為38mm，極片活性物質總面積為0.050m2，極片壓實密度以活性物質計為3.6g/cm3。負極片的制備方法通常經由制備漿料，涂布，冷壓，分切等工序制備，其中負極材料、導電劑碳黑和黏接劑聚偏氟乙烯的質量比為90％：5.0％：5.0％，將上述物質混合制成漿料涂覆與鋁箔集流體上，后續工序與正極片基本相同，制備后的極片有效負極活性物質含量為90％，極片涂布重量為0.150g/cm2，極片涂布寬度為40mm，極片活性物質總面積為0.051m2，極片壓實密度以活性物質計為1.8g/cm3。將正極片，隔離膜，負極片等按順序卷繞制備成裸電芯，裸電芯檢驗合格后裝入沖好坑的鋁塑膜中并進行熱封1(～135℃×5s，寬度5～8mm)，注液(電解液:LIB302，注液量:3.2g/只)，然后在LIP-10AHB06型高溫化成機化成(0～2.8V，0.2C)，熱封2(～135℃×5s，寬度5～8mm)及容量測試(1.5～2.8V，0.5C)，挑選質量合格的電芯用于后續性能評估。其中，所述化成過程為：第一次化成：充電采用0.2C恒電流，2.8V限電壓，2.8V恒電壓，電流達到0.05C時終止，放電采用0.2C恒電流，2.8V終止。充電和放電時間間隔為30min。第二次化成：采用0.2C恒電流，2.8V終止。容量測試的過程為：將化成后的電芯采用0.5C恒電流充電，2.8V限電壓，2.8V恒電壓，電流達到0.05C時終止，用電流恒流0.5C放電，終止電壓為2.8V，用恒流放電的時間乘以放電電流即得電池容量。以放電容量為標準，挑選質量合格的電芯。將上述全電池進行滿電壓下熱箱表征，具體步驟如下：參考UL1642(2005年第4版)、UL2054標準取每組6個電池(不少于5個)，在常溫下0.5C滿充至2.8V后靜置2小時，然后附加檢測元件后放置于低溫測試箱中，以(5±2)℃/min的速率升溫至(85±2)℃并保溫4h，然后取出，恢復至室溫，觀察電池不能爆炸或著火，檢測全電池的厚度、內阻、開路電壓和容量損失，結果如表4所示。表4高溫存貯測試結果(85℃/4h)由表4可見，采用本發明例制備的電芯在2.8V電壓下高溫貯存下電芯厚度變化小，說明電芯產氣量較少，對應的由于正負極界面離子通路仍舊存在，故電芯的表觀內阻變化小，開路電壓下降少，容量損失也較少，說明達到了本發明的設計目的。實施例15全電池化學循環性能表征將實施例3、實施例8和實施例9按照實施例12的方法制備成全電池，對全電池進行45℃1C/1C(1.5～2.8V)循環測試，得圖4的結果。由圖4可見，采用本發明方法制備的電池在45℃1C/1C循環過程中容量幾乎未見衰減，而對比組的電池循環已出現了較明顯的衰減，通常對于鈦酸鋰電池高溫循環而言，循環衰減并非來自于材料本身的結構損壞，主要是因為循環過程中鈦酸鋰電池產氣導致軟包裝鋰電池正負極界面之間變差，從而導致容量出現衰減惡化，對于本發明例而言，由于采用了局部分隔反應區，在各區內反應材料產物的一致性更好，從而制備的鋰電池電化學體系下材料表現出更好的穩定性，對比組實施例由于鋰/鈦比總體合格，但局部存在不同的產物比例不一致情況，各材料的電化學工作電位不盡相同，導致與電解質的副反應增多，最終惡化了高溫循環。同時因“死鋰”的增加安全風險也會隨之增加。實施例16全電池針刺表征將實施例1～實施例9所述負極材料按照實施例14的方法制備成全電池，對全電池按QC/T743-2006(電動道路車輛用鋰離子蓄電池)在鋰電池釘刺測試儀上進行釘刺(釘直徑Φ3mm～8mm，刺穿速度為20～25mm/s)等測試。檢測器開路電壓、內阻變化及溫度，觀察其冒煙、起火情況，結果如表5所示。表5實施例16安全測試結果由表5可見，本發明類由于具有適度的比表面積，以及制備過程中的阻隔劑的局部混合均勻性等，制備的材料在穿釘過程中全部通過，而未采用本發明組合物的對比組(實施例7、實施例8和實施例9)材料由于本身結構的不均勻性，導致在短路過程中副反應較多，從而導致穿釘試驗通過率變成了一個概率性事件，對于組裝組合型的大型動力裝置及由多組單體電池組成的儲能電站而言，風險會放大較多的倍數。實施例17全電池倍率表征實施例2、實施例3和實施例8制備的合格鋰電池倍率(0.2C，1.0C，20C，50C)測試。取檢驗合格的實施例2、實施例3和實施例8電芯按電芯容量進行0.2C，1.0C，20C，50C放電倍率測試，測試結果如圖5所示。由圖5可見，同對比組時電池相比，采用本發明制備的材料制備的鋰電池倍率性能約高于對比組相同倍率下的測試結果。通常倍率放電還與電池結構及設計有關，當采用更好的設計后應當會表現出更好的倍率性能，從而可以擴大鋰電池的應用領域。綜上所述，本發明提供了一種制備較大比表面積鈦酸鋰的方法，以及本方法制備物的有益改善結果，限于篇幅及實驗論證認識的局限，本發明的工序也可以與已有專利的有益啟示一起推動鈦酸鋰材料的制備技術進展，并不局限于上述特定的實施方式，所有已揭示和未揭示的案例不影響本發明的實質內容。當前第1頁1 2 3