专利名称：一种尖晶石结构钛酸锂的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种锂离子电池电极材料的制备方法，特别是指采用廉价易得 的原料 一 步固相反应合成可用作锂离子电池负极材料的尖晶石结构钛酸锂(LiTiA)的方法。
技术背景钛酸锂是指Li-Ti-0系列氧化合物，其中，尖晶石结构(/Wi/z;)的LiTiA、 Li,TiA2和正斜方锰矿结构(户to/ 7)的Li/TiA均具有良好的可逆嵌锂反应特性， 可用作锂离子电池负极材料。尖晶石结构的LiTiA具有嵌锂电位低、充放电性 能稳定、导电性好、大电流性能好等优点，有望用作长寿命大功率锂离子电池 负极材料。但是LiTi204中存在容易被空气氧化的III价Ti离子，导致其制备工艺 复杂。已报道的LiTi^制备方法主要有金属钛粉或钛的低价氧化物(如TiO、 "203等)与高价钛(IV价)氧化物(如Ti02、 Li2Ti03、 Li2Ti 307、 "丁120;等) 发生反应，金属锂与Ti02在惰性气氛或真空条件下发生反应，LhC03与TiO,在氢 气中发生反应等方法。这些方法存在着反应条件难于控制、制备工序较长、原 料成本较高等缺点。 发明内容本发明的目的是为了克服现有钛酸锂合成方法反应条件难于控制、工序较 长、原料成本高等不足，提供一种以二氧化钛、碳酸锂和炭黑为原料的一步固 相反应合成4太酸4里的方法。本发明解决技术问题所采用的技术方案是以廉价易得的二氧化钛、碳酸 锂和炭黑为原料，三者在高温下发生氧化还原反应， 一步合成尖晶石结构钛酸 锂(LiTh(U。其化学反应方程式为Li2C03 + 4Ti02 + 2C = 2LiTiA + 3C0 T具体步骤为按原子比Li : Ti : C = 1 : 2 : ( 0. 50 ~ 0. 58 )分别称取分析 纯碳酸锂、二氧化钛和炭黑，用球磨机研磨0.5 h~2 h，使原料充分混合，将 混合物盛于瓷皿或刚玉舟中，置于管式炉或真空炉内，控制氩气流量为20L/h~ 200 L/h或真空度为10-1 Pa，在700 °C~ 1300 。C反应4 h~36 h，自然降低温 度至常温，取出反应产物(产物为深蓝色)，在氩气保护下研磨2 h，得到粒度 为0. 5|um~ 5 |am的尖晶石结构钛酸锂粉末。本方法采用炭黑在高温下使LiTiA中1/2的钛原子由iv价被还原为ni，避 免使用较难制备的低价态钛氧化物，避免使用有安全隐患的氢气和价格较贵的 钛粉作为还原剂。合成产物主要为尖晶石相，仅有少量未反应完全的炭黑，但 炭黑不影响其电化学性能；产物的电化学性能良好，比容量为100 mAh/g-160 mAh/g。
图1为本发明实施例1制备产物的X-射线衍射(XRD)图谱。图2为本发明实施例1制备产物与金属锂组装成的模拟电池的循环伏安曲 线(扫描速率为0. 5 mV/s )。图3为本发明实施例1制备产物与金属锂组装成的模拟电池的恒电流充放 电曲线(电流密度为2.5 mA/cm2)。
具体实施方式
实施例1:准确称取市售分析纯试剂二氧化钛3. 228 g (锐钛矿为主，二氧化钛> 99. 0 %)、碳酸锂0.762 g (碳酸锂>97. 0 %)、炭黑0.400 g (灰分《0. 2 % ),在200 mL玛瑙罐中行星球磨2h,将混合物置于25 mL刚玉舟内，置于管式炉中，通入 流量为20 L/h的市售氩气(Ar> 99. 996 %),物料在900 。C反应30 h，自然冷 却至室温后取出，转入玛瑙球磨罐并充氩气，用行星球磨机研磨2h,即得深蓝 色尖晶石结构钛酸锂粉末产物。X-射线衍射仪测定结果表明产物主要为尖晶石 结构(见附图1);其模拟电池Li/LiTi204的循环伏安曲线中有一组氧化还原可 逆峰，反应电位为1. 36 V (见附图2);其比容量可为120 mAh/g -160 mAh/g, 充放电性能良好(见附图3)。实施例2准确称取市售分析纯试剂二氧化钛322.800 g (锐钛矿为主，二氧化钛> 99. 0 % )、碳酸锂76. 200 g (碳酸锂> 97. 0 % )、炭黑38. 000 g (灰分《0. 2 % ), 在500 mL玛瑙罐中分批行星球磨2 h,将混合物置于500 mL石墨坩埚中，置于 SL63-7B真空碳管电炉(上海电炉厂生产)内，将真空度抽至l(T1 Pa,加热升 温至900 。C反应8 h,冷却至室温后耳又出，转入玛瑙球磨罐并充氩气，用行星 球磨机研磨2 h,即得深蓝色尖晶石结构钛酸锂粉末产物。其X-射线衍射仪测 定结果和电化学性能与实施例1类同，其中可逆嵌锂反应电位为1.34 V、比容 量为160 mAh/g,充放电性能良好。
权利要求
1.一种尖晶石结构钛酸锂的制备方法，其特征在于具体步骤为按原子比Li∶Ti∶C＝1∶2∶(0.50～0.58)分别称取分析纯碳酸锂、二氧化钛和炭黑，用球磨机研磨0.5h～2h，使原料充分混合，将混合物盛于瓷皿或刚玉舟中，置于管式炉或真空炉内，控制氩气流量为20L/h～200L/h或真空度为10-1Pa，在700℃～1300℃反应4h～36h，自然降低温度至常温，取出反应产物，在氩气保护下研磨2h，得到尖晶石结构钛酸锂粉末。
全文摘要
本发明公开了一种尖晶石结构钛酸锂的制备方法。以廉价易得的碳酸锂、二氧化钛和炭黑为原料，一步固相反应法合成钛酸锂(LiTi<sub>2</sub>O<sub>4</sub>)。原料经充分混合，采用氩气气氛或在真空下，在700℃～1300℃温度范围反应4h～36h，制得纯的或含少量炭黑的尖晶石结构钛酸锂(LiTi<sub>2</sub>O<sub>4</sub>)。产物经行星球磨机研磨，粒度达0.5μm～5μm，循环比容量达100mAh/g～160mAh/g。本发明工序简单，原料低廉，适合工业生产，产物电化学性能优良，可用作高性能锂离子电池负极材料。
文档编号C01G23/00GK101402469SQ200810073869
公开日2009年4月8日 申请日期2008年10月31日 优先权日2008年10月31日
发明者杨建文, 杨正晓, 江 赵, 陈永珍 申请人:桂林工学院