本發(fā)明涉及一種鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料的制備方法，屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著新能源汽車、可穿戴設(shè)備的高速發(fā)展，人們對發(fā)展新型化學(xué)電源提出了更高且十分迫切的要求。鋰離子電池憑借其能量密度高、工作電壓高、自放電率低、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保等獨特優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子產(chǎn)品和通訊工具中。負極材料對鋰離子電池的性能起到十分重要的作用，目前，商品化鋰離子電池多采用石墨為負極材料，但是，這類材料在實際應(yīng)用中存在一些問題，如首次充放電效率較低，充放電過程體積發(fā)生變化，容易形成鋰枝晶引起短路，使電解液分解存在安全隱患等。

相比之下，具有尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰，在充放電過程中鋰離子插入和脫嵌對材料結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響，稱為“零應(yīng)變”材料，充放電平臺良好且平臺容量可達放電容量的90%以上，循環(huán)性能好，不與電解液反應(yīng)，制備方法簡單，成本較低。因此，目前尖晶石型鈦酸鋰以其優(yōu)異的安全特性和長循環(huán)壽命已經(jīng)成為商業(yè)化應(yīng)用前景極其廣闊的鋰離子電池負極材料。

鈦酸鋰具有良好的電化學(xué)能和安全性能，但是，也存在以下不足：(1)理論容量及能量密度低；(2)鋰離子擴散率及電子電導(dǎo)率低、大倍率性能尚需改善；(3)高溫性能差等。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上問題，本發(fā)明在鈦酸鋰中摻雜具有高比容量的鈷，提高其能量密度，同時通過鈦酸鋰的納米化改善鋰離子擴散、導(dǎo)電性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

本發(fā)明的目的在于提供一種鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）稱取鋰源和鈦源分別溶于溶劑中后混合并攪拌均勻，獲得溶液a；

（2）將添加劑、絡(luò)合劑溶于水，攪拌均勻，得溶液b；

（3）將溶液a與溶液b混合攪拌均勻后轉(zhuǎn)入封閉的反應(yīng)容器中加熱，恒溫反應(yīng)；

（4）待步驟（3）反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物冷卻到室溫，用乙醇和水的混合液反復(fù)洗滌、離心、干燥，收集到前驅(qū)物；

（5）將步驟（4）收集到的前驅(qū)物放入充滿惰性氣體的氣氛爐中燒結(jié)，冷卻后獲得鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料。

步驟（1）所述鋰源和鈦源所提供中鋰與鈦的摩爾比為（0.8～1.0）:1.0。

步驟（1）所述鈦源為鈦酸異丙酯、鈦酸正丙酯、鈦酸四丁酯中的一種，所述鋰源為一水氫氧化鋰、氯化鋰、硫酸鋰中的一種。

步驟（1）所述鋰源的溶劑為水，所述鈦源的溶劑為乙醇或乙二醇。

步驟（2）所述添加劑為可溶性鈷鹽，為硝酸鈷、氯化鈷、硫酸鈷中的一種，所述添加劑占步驟（1）中鈦源和鋰源總質(zhì)量的5％～15％。

步驟（2）所述絡(luò)合劑為尿素、蔗糖、葡萄糖中的一種，所述絡(luò)合劑占步驟（1）中鈦源和鋰源總質(zhì)量的5％～15％。

步驟（3）所述恒溫反應(yīng)是在130℃～180℃反應(yīng)6～24小時。

步驟（5）所述惰性氣體為氮氣或氬氣。

步驟（5）所述燒結(jié)是在450℃～750℃保溫5～10小時。

本發(fā)明的效果和優(yōu)點：

1、本發(fā)明操作簡單，較傳統(tǒng)的二次水熱法大幅縮短反應(yīng)時間，且對環(huán)境友好，降低生產(chǎn)成本，易于工業(yè)化生產(chǎn)。

2、本發(fā)明制備的含鈷摻雜鈦酸鋰復(fù)合材料顆粒細小、分散均勻，結(jié)晶性好，在大倍率（2c）充放電條件下具有更高的理論容量和良好的循環(huán)性能，在新型鋰離子電池領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1制得鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料xrd圖；

圖2為本發(fā)明實施例1制得鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料作為鋰離子電池負極材料在2c倍率下的充放電容量圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例，對發(fā)明作進一步地的詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍不限于此。

實施例1

一種鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）將0.378g一水氫氧化鋰與3.4g鈦酸四丁酯分別溶于20ml去離子水和30ml乙醇，密閉攪拌1h獲得溶液a；

（2）將0.38gco(no3)2·6h2o、0.38g尿素溶于40ml去離子水，攪拌均勻，得溶液b；

（3）將溶液a與溶液b混合攪拌均勻后轉(zhuǎn)入封閉的反應(yīng)容器中加熱，130℃反應(yīng)18h；

（4）待步驟（3）反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物冷卻到室溫，用乙醇和水的混合液反復(fù)洗滌、離心，80℃干燥6h，收集到前驅(qū)物；

（5）將步驟（4）收集到的前驅(qū)物放入充滿惰性氣體的氣氛爐中燒結(jié)，氬氣氛圍下500℃保溫8小時，冷卻后獲得鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料。

如圖1所示，為本實施例制備得到的鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料xrd圖，圖中各衍射峰和鈦酸鋰（jcpds49-0207）相一致，摻入的鈷以licotio4（jcpds38-0182）的形式存在，鈷的摻雜使復(fù)合材料的衍射峰較純鈦酸鋰發(fā)生了微小的左移，這是由于licotio4的衍射峰與鈦酸鋰的部分峰相重合造成的，各物質(zhì)的衍射峰十分尖銳，說明復(fù)合材料的結(jié)晶性很好。

如圖2所示，為鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料作為負極的電池在2c倍率下的充放電比容量圖，圖中可清晰地觀察到鈦酸鋰的特征充放電平臺，曲線的重合性良好，說明復(fù)合材料的穩(wěn)定性很好，首次放電比容量高達220mah/g，在20次2c的大電流充放電后仍有155mah/g，說明該復(fù)合材料作為負極的電池較純鈦酸鋰電池在快速充放電時，具有更高的理論容量和良好的循環(huán)性能。

實施例2

一種鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）將0.55g硫酸鋰與2.84g鈦酸正丙酯分別溶于20ml去離子水和30ml乙醇，密閉攪拌1h獲得溶液a；

（2）將0.51gcoso4·7h2o、0.51g蔗糖溶于40ml去離子水，攪拌均勻，得溶液b；

（3）將溶液a與溶液b混合攪拌均勻后轉(zhuǎn)入封閉的反應(yīng)容器中加熱，150℃反應(yīng)24h；

（4）待步驟（3）反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物冷卻到室溫，用乙醇和水的混合液反復(fù)洗滌、離心，80℃干燥6h，收集到前驅(qū)物；

（5）將步驟（4）收集到的前驅(qū)物放入充滿惰性氣體的氣氛爐中燒結(jié)，氮氣氛圍下450℃保溫10小時，冷卻后獲得鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料。

本實施例得到的鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料作為負極的電池在2c倍率下首次放電比容量高達210mah/g，在20次2c的大電流充放電后仍有150mah/g，說明該復(fù)合材料作為負極的電池較純鈦酸鋰電池在快速充放電時，具有更高的理論容量和良好的循環(huán)性能。

實施例3

一種鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料的制備方法，具體包括以下步驟：

（1）將0.339g氯化鋰與2.84g鈦酸異丙酯分別溶于20ml去離子水和30ml乙二醇，密閉攪拌1h獲得溶液a；

（2）將0.16g氯化鋰、0.16g葡萄糖溶于40ml去離子水，攪拌均勻，得溶液b；

（3）將溶液a與溶液b混合攪拌均勻后轉(zhuǎn)入封閉的反應(yīng)容器中加熱，180℃反應(yīng)6h；

（4）待步驟（3）反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物冷卻到室溫，用乙醇和水的混合液反復(fù)洗滌、離心，80℃干燥6h，收集到前驅(qū)物；

（5）將步驟（4）收集到的前驅(qū)物放入充滿惰性氣體的氣氛爐中燒結(jié)，氮氣氛圍下750℃保溫5小時，冷卻后獲得鈷摻雜鈦酸鋰納米復(fù)合材料。

本實施例制備得到的復(fù)合材料作為負極的電池較純鈦酸鋰電池在快速充放電時，具有更高的理論容量和良好的循環(huán)性能。