一種碳納米管包覆的鈦酸鋰材料及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種碳納米管包覆的鈦酸鋰材料及其制備方法，該材料包括鈦酸鋰顆粒，所述鈦酸鋰顆粒表面包覆一層由碳納米管形成的具有三維網絡結構的包覆層。本發明專利技術的碳納米管包覆的鈦酸鋰材料，鈦酸鋰顆粒表面包覆一層由碳納米管形成的具有三維網絡結構的包覆層，鈦酸鋰本身具有優良的嵌、脫鋰能力，包覆了具有三維網絡結構的碳納米管包覆層后，其電導率、克容量、倍率性能和循環穩定性得到了大幅度的提高，使鈦酸鋰材料在鋰離子電池及混合電容器中能發揮更優異的作用。

【技術實現步驟摘要】
一種碳納米管包覆的鈦酸鋰材料及其制備方法
本專利技術屬于鈦酸鋰材料
，具體涉及一種碳納米管包覆的鈦酸鋰材料，同時還涉及一種碳納米管包覆的鈦酸鋰材料的制備方法。
技術介紹
鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度大、循環壽命長、自放電小、無記憶效應、環境友好等特點，已經成為通訊、電動工具、電動車輛、航空航天等設備最理想的移動電源。在目前的鋰離子電池用活性材料中，Li4Ti5012具有特殊的嵌鋰性能，其嵌鋰脫鋰的反應是Li4Ti5012與Li7Ti5012的兩相轉化過程，其間Li4Ti5012的骨架結構幾乎不發生變化，鋰離子可以進行快速的嵌入脫出，因而其循環性能和快速充放電能力非常突出；此外，該嵌鋰過程的電位約為1.55V(vsLi/Li+)，在上述兩相互變過程中，電極電位非常平坦，而當兩相的轉變基本完成時，電極電位會發生上升或下降的突躍。因此，鈦酸鋰材料具有極佳的循環性能和安全的充放電電位，是一種性能卓越的鋰電池負極材料。由于鈦酸鋰的電導率非常低(＜10-13S/m)，導致鈦酸鋰體系的電池的倍率性能不好。因此，需要通過與導電性能優越的納米碳材料復合，提高鈦酸鋰的電導率，才能使鈦酸鋰材料在鋰離子電池中及混合電容器中發揮優異的性能。但是，現有的制備碳納米管包覆/包裹鈦酸鋰復合物的技術中，碳納米管往往分散不夠均勻，需要加入分散劑；而且制備過程中還會加入摻雜元素化合物、絡合劑等物質，在電極材料中引入了過多的雜質，造成鈦酸鋰復合材料的最終使用性能不佳，不能滿足使用的要求。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種碳納米管包覆的鈦酸鋰材料，解決現有鈦酸鋰材料導電性能與倍率性能不佳，不能滿足使用要求的問題。本專利技術的第二個目的是提供一種碳納米管包覆的鈦酸鋰材料的制備方法。為了實現以上目的，本專利技術所采用的技術方案是：一種碳納米管包覆的鈦酸鋰材料，包括鈦酸鋰(Li4Ti5O12)顆粒，所述鈦酸鋰顆粒表面包覆一層由碳納米管形成的具有三維網絡結構的包覆層。各組分的質量百分比為：鈦酸鋰70％～99％、碳納米管1％～30％。所述包覆層中，碳納米管之間為化學鍵合。所述碳納米管的直徑為1～100nm，長度為1～50μm。所述碳納米管為單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管中的任意一種或多種。一種上述的碳納米管包覆的鈦酸鋰材料的制備方法，包括下列步驟：1)取官能團化的碳納米管，均勻分散在水中，得混合物A；2)將步驟1)所得混合物A加入有機溶劑中，混合得混合物B；3)向步驟2)所得混合物B中加入碳酸鋰、二氧化鈦和氯化鈉，混合均勻后進行水熱反應，得與溶劑體系分離的碳納米管凝膠；4)取步驟3)所得碳納米管凝膠在惰性氣氛下進行焙燒，即得。步驟1)中，所述官能團化的碳納米管是將碳納米管依次與硝酸、鹽酸反應制得的。所述官能團化的碳納米管為帶有羥基、羧基官能團的碳納米管。所述官能團化的碳納米管的制備方法，包括下列具體步驟：a)取碳納米管與硝酸混合，加熱回流反應后，靜置分層，棄去上層透明清液，得黑色懸浮液；b)取步驟a)所得黑色懸浮液與鹽酸混合后，離心分離，得沉淀物；c)取離心分離所得沉淀物與鹽酸混合后，離心分離，得沉淀物；d)重復步驟c)的操作，至離心分離后的上清液無色，收集沉淀物，備用；e)將步驟d)所得沉淀物分散在水中，調節pH為10，超聲分散后過濾，得濾餅；f)取過濾所得濾餅，分散在水中，調節pH為10，超聲分散后過濾，得濾餅；g)重復步驟f)的操作，至過濾后的濾液無色，收集濾餅，備用；h)取步驟g)所得濾餅加水分散，過濾至濾液呈中性，收集濾餅并干燥，即得官能團化的碳納米管。步驟a)中，所述硝酸的濃度為2.6mol/L；碳納米管與硝酸的質量比為1:2～10。步驟a)中，所述加熱回流反應的溫度為50～95℃，時間為24h。步驟a)中，所述靜置的時間為20min。步驟b)、c)、d)中，所述離心分離的轉速為8000rpm，時間為20min。步驟b)、c)、d)中，所述鹽酸的濃度為1.0mol/L；每次加入鹽酸的量為：黑色懸浮液與鹽酸的體積比為1:2～10。步驟e)、f)、g)中，所述超聲分散的時間為30min。步驟e)、f)、g)中，調節pH的方法是用NaOH溶液、KOH溶液或氨水進行調節。步驟e)、f)、g)中，所述過濾是用孔徑為0.45μm的膜進行抽濾。步驟h)中，所述干燥的溫度為120℃。步驟1)中，所得混合物A中，官能團化的碳納米管的含量為0.5～15mg/ml。步驟2)中，所述有機溶劑為乙醇、丙酮、異丙酮中的任意一種或多種。所述有機溶劑的加入量為：混合物A與有機溶劑的體積比為1:1～5。步驟3)中，加入碳酸鋰、二氧化鈦和氯化鈉的量為使Li、Ti與NaCl的摩爾比為0.4:0.5:1～10。步驟3)中所述水熱反應的溫度為120℃～220℃，時間為6～24h。步驟3)中所述水熱反應是在水熱反應釜中進行的，水熱反應釜中物料的體積占水熱反應釜總容積的50％～80％。步驟4)中所述焙燒的溫度為450℃～1200℃，時間為0.5～10h。步驟4)中所述惰性氣氛為氮氣、氬氣中的任意一種或兩種。本專利技術的碳納米管包覆的鈦酸鋰材料，鈦酸鋰顆粒表面包覆一層由碳納米管形成的具有三維網絡結構的包覆層，鈦酸鋰本身具有優良的嵌、脫鋰能力，包覆了具有三維網絡結構的碳納米管包覆層后，其電導率、克容量、倍率性能和循環穩定性得到了大幅度的提高；在0.5C倍率的放電條件下，克容量達到160mAh/g，遠遠高于未包覆的鈦酸鋰材料(130mAh/g)和碳納米管物理摻雜的鈦酸鋰材料(140mAh/g)；包覆層結構穩定，從整體上提高了鈦酸鋰材料的電化學性能，使鈦酸鋰材料在鋰離子電池及混合電容器中能發揮更優異的作用。本專利技術的碳納米管包覆的鈦酸鋰材料的制備方法，是將官能團化的碳納米管分散在水/有機溶劑中，再加入制備鈦酸鋰的前驅體(碳酸鋰、二氧化鈦)和氯化鈉進行水熱反應后焙燒生成Li4Ti5O12，同時修復碳納米管的導電能力；官能團化的碳納米管上帶有羧基和羥基，在水熱反應中縮聚形成三維網狀立體結構，碳納米管之間彼此化學鍵合，包覆在鈦酸鋰顆粒上，提高了鈦酸鋰材料的導電性能；官能團化的碳納米管具有良好的親水性和電化學性能，不僅有助于碳納米管的分散，還可提高碳納米管包覆鈦酸鋰材料的電化學性能；利用水熱反應，使得混合物能夠在不添加分散劑以及其它雜質的條件下，將碳納米管與反應的前驅體材料混合均勻，使碳納米管形成三維的網絡結構，包覆在鈦酸鋰顆粒上；不加入分散劑、摻雜元素化合物、絡合物等物質，不會在電極中引入過多雜質，保證了電池的質量；工藝簡單，操作方便，適合大規模工業化生產。本專利技術的碳納米管包覆的鈦酸鋰材料的制備方法中，官能團化的碳納米管可溶解在水中，碳納米管上含有大量的羥基和羧基，在水熱反應時，碳納米管上的羥基和羧基發生反應，形成與溶劑體系分離的碳納米管凝膠，后經燒結得碳納米管包覆鈦酸鋰材料；NaCl為水溶性鹽類，其作為水熱反應助劑，水熱反應結束后，留在溶劑體系中，從而與碳納米管凝膠分離。碳納米管凝膠中包括碳納米管、鈦酸鋰材料以及極微量的水分子以及NaCl。附圖說明圖1為實施例1所得碳納米管包覆的鈦酸鋰材料的掃描電鏡圖；圖2為實施例1所得碳納米管包覆的鈦酸鋰材料的電化學性能測試結果示意圖；圖3為實本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳納米管包覆的鈦酸鋰材料，其特征在于：包括鈦酸鋰顆粒，所述鈦酸鋰顆粒表面包覆一層由碳納米管形成的具有三維網絡結構的包覆層。

【技術特征摘要】
1.一種碳納米管包覆的鈦酸鋰材料，其特征在于：包括鈦酸鋰顆粒，所述鈦酸鋰顆粒表面包覆一層由碳納米管形成的具有三維網絡結構的包覆層；所述鈦酸鋰材料由包括下列步驟的方法制得：1）取官能團化的碳納米管，均勻分散在水中，得混合物A；2）將步驟1）所得混合物A加入有機溶劑中，混合得混合物B；3）向步驟2）所得混合物B中加入碳酸鋰、二氧化鈦和氯化鈉，混合均勻后進行水熱反應，得與溶劑體系分離的碳納米管凝膠；4）取步驟3）所得碳納米管凝膠在惰性氣氛下進行焙燒，即得；步驟3）中，加入碳酸鋰、二氧化鈦和氯化鈉的量為使Li、Ti與NaCl的摩爾比為0.4:0.5:1～10；步驟4）中所述焙燒的溫度為450℃～1200℃，時間為0.5～10h。2.根據權利要求1所述的碳納米管包覆的鈦酸鋰材料，其特征在于：各組分的質量百分比為：鈦酸鋰70%～99%、碳納米管1%～30%。3.根據權利要求1或2所述的碳納米管包覆的鈦酸鋰材料，其特征在于：所述包覆層中，碳納米管之間為化學鍵合。4.根據權利要求1或2所述的碳納米管包覆的鈦酸鋰材料，其特征在于：所述碳納米管的直徑為1～100nm，長度為1～5...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王燕，張潔，李志，趙晶晶，潘文成，原東甲，平麗娜，孫曉賓，
申請(專利權)人：中航鋰電洛陽有限公司，
類型：發明
國別省市：河南;41