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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 高性能鋰離子電池負(fù)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(xiàng)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(hào)溶液；乙酰丙酮與鈦酸丁酯混合后溶于乙醇制得二號(hào)溶液；均勻混合一二號(hào)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(jí)高性能的Li4Ti5O12電極材料。
- 詳細(xì)介紹：
- 本項(xiàng)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(hào)溶液；乙酰丙酮與鈦酸丁酯混合后溶于乙醇制得二號(hào)溶液；均勻混合一二號(hào)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(jí)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(xué)成分、相成分和粒徑，從而提高其均勻性和導(dǎo)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(dá)到原子級(jí)均勻混合，有效地促進(jìn)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(tuán)聚，從而促進(jìn)電極中電解液與電極的接觸面積，進(jìn)而提高其電化學(xué)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(jìn)晶核的生長，從而降低熱處理溫度和縮短熱處理時(shí)間；水的加入可以增加鈦酸鋰的凝膠化時(shí)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(shí)間最短的產(chǎn)品；微波熱處理技術(shù)相對(duì)于普通的加熱技術(shù)， 可以使前軀體在短時(shí)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(jí)顆粒。 運(yùn)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(fù)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(dǎo)電性和相對(duì)較高的電壓平臺(tái)，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(dǎo)電性；并通過選擇合適的金屬離子，使其順利進(jìn)入尖晶石結(jié)構(gòu)的16d位置，并且形成比Ti-O鍵更強(qiáng)的金屬-氧鍵，這一方面能穩(wěn)定尖晶石結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高其循環(huán)性能；另一方面，削弱Li-O，提高鋰離子擴(kuò)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(jìn)一步降低Li4Ti5O12的電極電位，可以獲得更高的電池電壓。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品設(shè)計(jì)、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(diǎn),以鋰離子動(dòng)力電池為載體的電動(dòng)工具成為各個(gè)國家發(fā)展的方向。 基本思路： 目前商品化的鋰離子電池負(fù)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(dāng)電池過充時(shí)，碳電極表面易析出金屬鋰，它與電解液反應(yīng)產(chǎn)生可燃?xì)怏w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(fù)極材料已成為鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵所在。 創(chuàng)新點(diǎn)： 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(shí)間長，能耗高； 2． 采用氣氛爐進(jìn)行燒結(jié)，消耗時(shí)間長。能耗高，生產(chǎn)周期長； 3． 靠外部熱量的熱傳導(dǎo)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(jìn)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(xiàng)目技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)： 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(shí)間； （3）球磨粉碎的參數(shù)選擇； （4）微波熱處理?xiàng)l件的選擇； 項(xiàng)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(xué)性、先進(jìn)性
- 先進(jìn)性（一）：用鈦酸鋰代傳統(tǒng)替碳材料作為鋰離子電池負(fù)極活性材料。 國內(nèi)電池負(fù)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(shí)會(huì)產(chǎn)生膨脹等。 以鈦酸鋰為負(fù)極活性材料的鋰離子電池則可以克服碳材料的這些缺點(diǎn)。 先進(jìn)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(dá)到原子級(jí)混合，有助于反應(yīng)并形成顆粒細(xì)小的產(chǎn)物。 溶膠－凝膠法具有純度高，均勻性強(qiáng)，處理溫度低，反應(yīng)條件易于控制等優(yōu)點(diǎn)。 先進(jìn)性（三）：采用微波熱處理技術(shù)。 微波合成法具有反應(yīng)時(shí)間短、能耗低、合成效率高、顆粒均勻等優(yōu)點(diǎn)而成為很有前途的合成方法。 先進(jìn)性（四）：通過摻雜改性進(jìn)一步提高鈦酸鋰的綜合性能。 為了提高電子導(dǎo)電性和電壓平臺(tái)，我們通過摻雜金屬離子，提高鈦酸鋰材料電子導(dǎo)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(jìn)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(jiǎng)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(xué)科技園杯”科技創(chuàng)業(yè)大賽中獲得一等獎(jiǎng)。
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(shí)物、產(chǎn)品； 2、圖片； 3、錄像； 4、樣品。
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)： （1）利用溶膠凝膠法有效地控制了鈦酸鋰前軀體的化學(xué)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(shí)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(dǎo)率，有效地提高其充放電容量和循環(huán)次數(shù)。 優(yōu)勢(shì)： （1）安全性好，與石墨材料相比具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)； （2）用該法制得的鈦酸鋰為納米級(jí)，顆粒度好，比性能高； （3）已掌握該項(xiàng)目的核心技術(shù)，工藝流程不易被復(fù)制，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)較強(qiáng)。 適應(yīng)范圍： 可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)電話,手提電腦,攝像機(jī)等電子設(shè)備中.還將在電動(dòng)汽車，衛(wèi)星，航天及軍事領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 鈦酸鋰負(fù)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(dòng)工具是未來發(fā)展的方向，它能夠有效緩解能源危機(jī)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(fù)極材料的帶來巨大的經(jīng)濟(jì)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(jìn)步，但目前顆粒度也僅能達(dá)到微米級(jí)。 對(duì)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(shí)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(shí)間組合，800℃、12h為較優(yōu)的燒結(jié)制度。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果為大多數(shù)文獻(xiàn)中證實(shí)。 有人做了金屬元素?fù)诫s實(shí)驗(yàn)，他選擇資源豐富、低毒性的過渡金屬M(fèi)(Fe、Ni和Cr)，利用在原料中加入氧化物(NiO、Cr2O3)進(jìn)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(duì)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(tái)，對(duì)比容量提供額外的貢獻(xiàn)，平均可提高40mAh/g左右，達(dá)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(dǎo)行為，有人用高溫固相法制備了碳元素?fù)诫s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?jǐn)?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(dá)50nm；材料的電化學(xué)測(cè)試也取得了理想的比容量和循環(huán)性，但該工作沒有對(duì)該材料的電阻和電導(dǎo)率的改善情況進(jìn)行直接、定量的測(cè)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(tuán)聚的特點(diǎn)，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(gè)數(shù)量級(jí)。這會(huì)大大增加鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)，對(duì)提高其高倍率性能有重要意義。
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