一种全过程固相制备Wadsley-Roth相材料的方法及其应用技术

本发明专利技术属于锂离子电池技术领域，公开了一种全过程固相制备Wadsley

【技术实现步骤摘要】
一种全过程固相制备Wadsley
‑
Roth相材料的方法及其应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，更具体地，涉及一种全过程固相制备Wadsley
‑
Roth相材料的方法及其应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池自1991年索尼公司开启商业化进程以来已经形成了一个巨大的产业链并成为一个热门的研究课题。在过去几十年里，以LiCoO2为正极、石墨为负极的锂离子电池(LIBS)在各种便携式电子产品、电动汽车，智能储能等领域中得到了广泛的应用。然而，目前绝大多数商业化锂离子因石墨负极中缓慢的锂离子迁移速率，使得电池倍率和低温性能受限；同时，其低的工作电压(
‑
0.1V vs.Li+/Li)导致锂枝晶轻易析出恶化了锂离子电池的安全性。为了满足锂离子电池低温、快充等特殊应用场景的使用需求，尖晶石结构钛酸锂(Li4Ti5O
12
)负极材料因其高的工作电位～1.5V(vs.Li+/Li)，可以避免电池循环过程中锂枝晶的产生，得到了广泛关注和研究，被认为是一种高安全性的锂离子电池负极材料。然而，Li4Ti5O
12
低的理论比容量(175mAh g
‑1)，严重限制了其实际应用。
[0003]Wadsley
‑
Roth相材料晶体结构稳定，能够进行高度可逆的锂离子脱嵌，且工作电位与钛酸锂相似(～1.5V vs.Li+/Li)，锂离子脱嵌过程体积变化小，非常适合作为高安全性锂离子电池负极材料。此外，Wadsley
‑
Roth相材料理论比容量与商业石墨负极材料(372mAh g
‑1)相近，大于钛酸锂；且材料的密度大，可以实现远大于石墨的压实密度，从而使电池同时获得较高的质量和体积比能。然而，Wadsley
‑
Roth相材料在制备过程中通常以水、乙醇、丙二醇等液体为分散剂将制备Wadsley
‑
Roth相材料的原材料在液相状态下混合，随后将分散剂完全干燥后进行热处理制得Wadsley
‑
Roth相材料。然而，溶剂的干燥过程不仅会增加生产成本还会产生大量的废弃物污染环境，易燃溶剂的挥发会大大增加生产过程中的安全隐患。同时，这些制备方法往往因工艺复杂、成本高昂、废液不可控、不易于大规模生产等原因不适于实际生产。因此，开发制备工艺简单、成本低廉、环境友好、易于大规模生产且电化学储锂性能优异的Wadsley
‑
Roth相材料具有非常重要的意义和价值。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种全过程固相制备Wadsley
‑
Roth相材料的方法及其应用，通过对工艺流程进行设计改进，先对各个固相原材料(对应Wadsley
‑
Roth相材料中所含金属元素的源)分别进行分散处理，再将它们混合后再次分散处理，能够起到减少团聚、减小粒径、充分分散、均匀混合的作用，可以在诸如搅拌机、粉碎机、气磨机、气流粉碎机等可以高速剪切、撞击分散粉体材料的机器中进行，全过程不使用溶剂，能够有效解决Wadsley
‑
Roth相材料在传统制备过程时为使材料获得良好电化学性能而对材料进行纳米化、多孔结构设计以及表面修饰等所带来的工艺复杂、成本高昂、不易于大规模生产等问题；并且，全固相制备Wadsley
‑
Roth相材料的过程中不会涉及任何溶剂，因此在制备过程中不会产生任何废液。此外，采用全固相制备的Wadsley
‑
Roth相材
料，晶体结构完整无缺陷，颗粒尺寸均一，离子迁移性良好，因此该材料作为锂离子电池负极材料具有优良的比容量、倍率性能和循环性能。同时，本专利技术所制备的Wadsley
‑
Roth相材料为微米尺度，具有很小的比表面积，其粒径非常适合作为锂离子电池的负极材料，能得到高的压实密度以及体积能量密度。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种全过程固相制备Wadsley
‑
Roth相材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0006](1)准备制备目标Wadsley
‑
Roth相材料所需的各种固相粉末原材料，这些原材料为Wadsley
‑
Roth相材料提供所需的金属元素，然后，对于每一种原材料，将该原材料在无溶剂条件下进行分散，减少团聚，同时减小团聚颗粒粒径，使至少30％占比的颗粒分散至原材料一次颗粒尺寸大小；其中，不同原材料的一次颗粒尺寸大小彼此不同；
[0007](2)在无溶剂条件下，将步骤(1)处理得到的各个原材料混合，接着再次进行分散处理，使它们充分分散并混合均匀，从而得到粉末混合物前驱体；由于原材料的一次颗粒尺寸大小不同，所述粉末混合物前驱体中，较小的原材料颗粒均匀的附着在另一种较大的原材料颗粒表面；
[0008](3)将步骤(2)得到的粉末混合物前驱体在含氧气氛条件下进行热处理，即可得到Wadsley
‑
Roth相材料；
[0009]其中，所述步骤(2)中，小颗粒原材料均匀的附着在大颗粒原材料表面得到均匀混合的前驱体是因为在固态混合的过程中各种原材料一次颗粒的密度、粒径及比表面积大小不同所带来的颗粒质量、颗粒表面能及粉体能量差异，使得小尺寸颗粒自发地吸附到大尺寸颗粒材料表面以降低体系总能量，从而达到能量稳定状态形成原材料的均匀混合，有效避免材料的分层以及不均匀团聚现象的出现。
[0010]作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)中，所述目标Wadsley
‑
Roth相材料为含铌氧化物类Wadsley
‑
Roth相材料，优选为TiNb2O7、Ti2Nb
10
O
29
、TiNb
24
O
62
或Nb
16
W5O
55
；
[0011]相应的，所述原材料选自：钛源固相化合物、铌源固相化合物、钨源固相化合物。
[0012]作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(1)和所述步骤(2)中的分散，优选是在搅拌机、粉碎机、气磨机、气流粉碎机中进行的，其原理在于对材料进行高速剪切、材料之间相互撞击达到均匀分散，减小颗粒的效果；其中，当采用搅拌机、粉碎机或气磨机时，转速为500
‑
20000rpm，处理时间为30秒
‑
2小时；当采用气流粉碎机时，粉碎通量为0.5
‑
100Kg/h，气流压力为0.2
‑
50Mpa。
[0013]作为本专利技术的进一步优选，所述步骤(3)中，所述热处理是在800
‑
1300℃的目标温度下保温6
‑
48小时，升温速率为0.5
‑
10℃每分钟。
[0014]作为本专利技术的进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全过程固相制备Wadsley
‑
Roth相材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)准备制备目标Wadsley
‑
Roth相材料所需的各种固相粉末原材料，这些原材料为Wadsley
‑
Roth相材料提供所需的金属元素，然后，对于每一种原材料，将该原材料在无溶剂条件下进行分散，减少团聚，同时减小团聚颗粒粒径，使至少30％占比的颗粒分散至原材料一次颗粒尺寸大小；其中，不同原材料的一次颗粒尺寸大小彼此不同；(2)在无溶剂条件下，将步骤(1)处理得到的各个原材料混合，接着再次进行分散处理，使它们充分分散并混合均匀，从而得到粉末混合物前驱体；由于原材料的一次颗粒尺寸大小不同，所述粉末混合物前驱体中，较小的原材料颗粒均匀的附着在另一种较大的原材料颗粒表面；(3)将步骤(2)得到的粉末混合物前驱体在含氧气氛条件下进行热处理，即可得到Wadsley
‑
Roth相材料；其中，所述步骤(2)中，小颗粒原材料均匀的附着在大颗粒原材料表面得到均匀混合的前驱体是因为在固态混合的过程中各种原材料一次颗粒的密度、粒径及比表面积大小不同所带来的颗粒质量、颗粒表面能及粉体能量差异，使得小尺寸颗粒自发地吸附到大尺寸颗粒材料表面以降低体系总能量，从而达到能量稳定状态形成原材料的均匀混合，有效避免材料的分层以及不均匀团聚现象的出现。2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述目标Wadsley
‑
Roth相材料为含铌氧化物类Wadsley
‑
Roth相材料，优选为TiNb2O7、Ti2Nb
10
O
29
、TiNb
24
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙永明，陈正旭，詹仁明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：