基本信息
- 項目名稱：
- 高性能鋰離子電池負極材料鈦酸鋰制備
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 該項目采用微波溶膠凝膠法合成納米鈦酸鋰。生產(chǎn)過程中將硝酸鋰、檸檬酸與乙醇互溶，再加入適量的水制得一號溶液；乙酰丙酮與鈦酸丁酯混合后溶于乙醇制得二號溶液；均勻混合一二號溶液得到凝膠。經(jīng)干燥、研磨、微波熱處理等工藝后，即可得到納米級高性能的Li4Ti5O12電極材料。
- 詳細介紹：
- 本項目采用溶膠-凝膠法合成Li4Ti5O12。生產(chǎn)過程中將硝酸鋰、檸檬酸與乙醇互溶，再加入適量的水制得一號溶液；乙酰丙酮與鈦酸丁酯混合后溶于乙醇制得二號溶液；均勻混合一二號溶液得到凝膠。經(jīng)干燥、研磨、微波熱處理等工藝后，即可得到納米級高性能的Li4Ti5O12電極材料。 生產(chǎn)過程中利用的溶膠凝膠法可有效地控制生成Li4Ti5O12的化學成分、相成分和粒徑，從而提高其均勻性和導電性能；生產(chǎn)過程中的檸檬酸為絡(luò)合劑，在反應(yīng)過程中和LiNO3、酞酸丁酯形成絡(luò)合物，使得陽離子達到原子級均勻混合，有效地促進形成性狀良好的凝膠前驅(qū)體，減小顆粒度，并減少顆粒的團聚，從而促進電極中電解液與電極的接觸面積，進而提高其電化學性能；且檸檬酸在燒結(jié)過程中具有良好的燃燒性能，瞬間產(chǎn)生足夠的熱量，促進晶核的生長，從而降低熱處理溫度和縮短熱處理時間；水的加入可以增加鈦酸鋰的凝膠化時間，使鈦酸鋰顆粒分布更加均勻，提高其比表面積，以此來改善其充放電循環(huán)性能，獲得綜合性能最好且凝結(jié)時間最短的產(chǎn)品；微波熱處理技術(shù)相對于普通的加熱技術(shù)， 可以使前軀體在短時間內(nèi)被均勻加熱，大大消除溫度梯度的影響，獲得均勻的納米級顆粒。 運用以上方法制得的Li4Ti5O12結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)性能好，并且其脫嵌鋰電位高于大部分電解液的還原電位，因而它作為鋰離子電池的負極材料，具有非常高的安全性。但是這樣制得的Li4Ti5O12具有較差的電子導電性和相對較高的電壓平臺，這就限制了其高倍率性能。為了改善這種情況，我們通過摻雜金屬離子，在Li4Ti5O12中造成一定的Ti4＋/Ti3＋，提高Li4Ti5O12材料電子導電性；并通過選擇合適的金屬離子，使其順利進入尖晶石結(jié)構(gòu)的16d位置，并且形成比Ti-O鍵更強的金屬-氧鍵，這一方面能穩(wěn)定尖晶石結(jié)構(gòu)，進而提高其循環(huán)性能；另一方面，削弱Li-O，提高鋰離子擴散系數(shù)，降低內(nèi)阻，提高其高倍率性能。另外，插入的金屬原子可使在尖晶石結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生少量陽離子空位，可以進一步降低Li4Ti5O12的電極電位，可以獲得更高的電池電壓。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 作品設(shè)計、發(fā)明的目的： 鋰離子電池具有放電倍率高,使用溫度范圍寬,循環(huán)性能優(yōu)良,安全性好,環(huán)保無污染等優(yōu)點,以鋰離子動力電池為載體的電動工具成為各個國家發(fā)展的方向。 基本思路： 目前商品化的鋰離子電池負極材料大多是嵌鋰碳材料和石墨電極。由于嵌鋰后碳電極的電位與金屬鋰的電位很接近，當電池過充時，碳電極表面易析出金屬鋰，它與電解液反應(yīng)產(chǎn)生可燃氣體混合物，因而產(chǎn)生安全隱患。因此，研究和開發(fā)高性能的負極材料已成為鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵所在。 創(chuàng)新點： 目前采用的生產(chǎn)方法均為固相法，固相法具有缺陷： 1． 混料時間長，能耗高； 2． 采用氣氛爐進行燒結(jié)，消耗時間長。能耗高，生產(chǎn)周期長； 3． 靠外部熱量的熱傳導來加熱物料，很難使物料受熱均勻，造成產(chǎn)品的一致性差； 4． 反應(yīng)很難進行完全，不能生產(chǎn)高檔產(chǎn)品。 與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法相比，本項目技術(shù)具有以下優(yōu)點： 1. 將溶膠-凝膠法和微波法相結(jié)合； 2. 利用微波熱處理技術(shù)； 3. 以檸檬酸為絡(luò)合劑； 關(guān)鍵技術(shù)： （1）各種原料配比的選擇與溶膠凝膠的最佳形成條件； （2）凝膠的干燥溫度和時間； （3）球磨粉碎的參數(shù)選擇； （4）微波熱處理條件的選擇； 項目 單位 規(guī)格值 D50 （μm） 0.5～0.8 比表面積 (m2/g) 3.0～3.5 首次容量 (mAh/g) ≥165 首次效率 % ≥93
科學性、先進性
- 先進性（一）：用鈦酸鋰代傳統(tǒng)替碳材料作為鋰離子電池負極活性材料。 國內(nèi)電池負極材料主要選用的是碳材料，其存在的主要問題是： (1)析出鋰枝晶造成短路； (2)首次充放電效率低； (3)充放電時會產(chǎn)生膨脹等。 以鈦酸鋰為負極活性材料的鋰離子電池則可以克服碳材料的這些缺點。 先進性（二）：通過溶膠凝膠法合成鈦酸鋰 前軀體。 溶膠凝膠能充分使離子達到原子級混合，有助于反應(yīng)并形成顆粒細小的產(chǎn)物。 溶膠－凝膠法具有純度高，均勻性強，處理溫度低，反應(yīng)條件易于控制等優(yōu)點。 先進性（三）：采用微波熱處理技術(shù)。 微波合成法具有反應(yīng)時間短、能耗低、合成效率高、顆粒均勻等優(yōu)點而成為很有前途的合成方法。 先進性（四）：通過摻雜改性進一步提高鈦酸鋰的綜合性能。 為了提高電子導電性和電壓平臺，我們通過摻雜金屬離子，提高鈦酸鋰材料電子導電性,另外，插入的金屬原子可使在尖晶石結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生少量陽離子空位，可以進一步降低鈦酸鋰的電極電位，可以獲得更高的電池電壓。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2010年10月23日于河南省鄭州市高新區(qū)舉辦的“國家大學科技園杯”科技創(chuàng)業(yè)大賽中獲得一等獎。
作品所處階段
- 此作品正處于產(chǎn)品開發(fā)階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無。
作品可展示的形式
- 1、實物、產(chǎn)品； 2、圖片； 3、錄像； 4、樣品。
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 技術(shù)特點： （1）利用溶膠凝膠法有效地控制了鈦酸鋰前軀體的化學成分、相成分和粒徑，提高了其均勻性； （2）微波處理技術(shù)升溫快、加熱均勻，縮短了鈦酸鋰的處理時間，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了材料成本和能耗，簡化了工藝，提高了工業(yè)生產(chǎn)的效率。 （3）通過摻雜，可提高鈦酸鋰電導率，有效地提高其充放電容量和循環(huán)次數(shù)。 優(yōu)勢： （1）安全性好，與石墨材料相比具有很強的競爭優(yōu)勢； （2）用該法制得的鈦酸鋰為納米級，顆粒度好，比性能高； （3）已掌握該項目的核心技術(shù)，工藝流程不易被復制，競爭優(yōu)勢較強。 適應(yīng)范圍： 可廣泛應(yīng)用于移動電話,手提電腦,攝像機等電子設(shè)備中.還將在電動汽車，衛(wèi)星，航天及軍事領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。 經(jīng)濟效益預(yù)測： 鈦酸鋰負極材料的出現(xiàn)使得高效節(jié)能的鋰離子電池成為了可能，以該電池為載體的電動工具是未來發(fā)展的方向，它能夠有效緩解能源危機和環(huán)境污染等問題?？梢詳喽ㄎ磥礓囯姵匦袠I(yè)的發(fā)展將給負極材料的帶來巨大的經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 目前合成鈦酸鋰的方法主要有固相法與凝膠-溶膠法。 固相法是將以銳鈦礦型Ti02作為鈦源，鈦酸鋰為鋰源，按n(Li)／n(Ti)=0.82的原料比，充分混合后，研磨，然后在800℃-900℃下燒結(jié)16h得到鈦酸鋰產(chǎn)物.很顯然這種合成工藝十分粗糙，得到產(chǎn)物的優(yōu)劣和研磨的充分程度有關(guān)，盡管近年來研磨工藝有所進步，但目前顆粒度也僅能達到微米級。 對于改善產(chǎn)品形貌方面，許多科研人員從優(yōu)化燒結(jié)制度入手，發(fā)現(xiàn)隨著燒結(jié)時間的延長，產(chǎn)品結(jié)晶度提高；粒徑略有增大，小粒徑、高結(jié)晶度條件下性能優(yōu)越，所以綜合兩方面來考慮，取最佳溫度、時間組合，800℃、12h為較優(yōu)的燒結(jié)制度。這一實驗結(jié)果為大多數(shù)文獻中證實。 有人做了金屬元素摻雜實驗，他選擇資源豐富、低毒性的過渡金屬M(Fe、Ni和Cr)，利用在原料中加入氧化物(NiO、Cr2O3)進行高能球磨，干燥后在900-1000℃高溫處理得到了摻雜后的樣品。通過對XRD圖譜的分析發(fā)現(xiàn)，插入的M原子大多分享了16d的位置，在摻雜有Cr、Ni的固溶體中，出現(xiàn)了低于0.6V的放電平臺，對比容量提供額外的貢獻，平均可提高40mAh/g左右，達到160mAh/g。首次循環(huán)比容量最大的是Lil.3Ni0.1Ti1.6O4，但由于存在不可逆的副反應(yīng)，顯示出容量明顯的衰減。 為了改善鈦酸鋰電極的電子電導行為，有人用高溫固相法制備了碳元素摻雜的鈦酸鋰電極材料，方法是在熱處理前驅(qū)體混合中加入質(zhì)量分數(shù)為10%的PEO和3%的碳材料，該工作選用比表面積分別為80和2000m2/g的兩種AC和天然石墨，SEM電鏡照片觀察到的樣品顆粒明顯變小，最小的顆粒直徑達50nm；材料的電化學測試也取得了理想的比容量和循環(huán)性，但該工作沒有對該材料的電阻和電導率的改善情況進行直接、定量的測算和討論。 本作品中在采用溶膠-凝膠法、較優(yōu)燒結(jié)制度的基礎(chǔ)上，采用微波熱處理法，利用微波法升溫快、加熱均勻、防止團聚的特點，制備出10μm的鈦酸鋰顆粒，這比普通燒結(jié)工藝的顆粒度減小了一個數(shù)量級。這會大大增加鋰離子的擴散系數(shù)，對提高其高倍率性能有重要意義。
