Способ получения наноразмерных порошков композита на основе титаната лития


 


Владельцы патента RU 2538254:

Альвиев Хожбауди Хамзатович (RU)

Изобретение относится к получению материала для электронной промышленности, в частности, для литий-ионных аккумуляторов. Способ получения нанопорошков композита на основе титаната лития Li4Ti5O12/C включает смешивание диоксида титана, карбоната лития и крахмала и термическую обработку полученной смеси до получения материала с 100% структурой шпинели. Карбонат лития берут в 10÷15 мас.% избытке от стехиометрически необходимого для получения соединения Li4Ti5O12. Крахмал вводят в смесь в количестве 10÷20 мас.% от массы смеси. Термическую обработку смеси проводят при температуре 850°C в течение 10-15 часов. Изобретение позволяет снизить длительность процесса синтеза нанопорошка композита Li4Ti5O12/C с получением материала с размером зерна 60-70 нм и высокими значениями разрядной емкости 160-170 мАч/г. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к технологиям получения материалов для электронной промышленности, в частности титаната лития Li4Ti5O12 для литий-ионных аккумуляторов нового поколения, которые являются автономными источниками энергии и применяются практически во всех электронных портативных устройствах и приборах, а также в электромобилях и военной технике.

Наноразмерный титанат лития Li4Ti5O12 применяется в силовых высокоэнергетических батареях, работающих в интенсивном режиме заряд-разряд, его можно использовать также в производстве суперконденсаторов и гибридных аккумуляторов-конденсаторов.

Для повышения разрядной емкости формируется композит на основе титаната лития с углеродом, медью, серебром.

Технической задачей изобретения является создание технологии получения материала на основе титаната лития с улучшенными эксплуатационными характеристиками и снижение энергозатрат на его производство

Одним из способов синтеза Li4Ti5O12 является твердофазный метод, когда компоненты соединения: диоксид титана (TiO2) и соли лития смешивают в стехиометрическом соотношении, смесь подвергают термообработке с целью получения продукта со структурой шпинели. Такой метод характеризуется небольшим количеством операций и относительной экологической чистотой. Время и температура термообработки являются важными факторами процесса синтеза материала.

Важнейшими свойствами материала являются его разрядная емкость и потери емкости при циклировании.

Известен способ твердофазного синтеза титаната лития Li4Ti5O12 смешением в стехиометрическом соотношении TiO2 и Li2CO3 с последующей термообработкой смеси при 800°C в течение 36 часов, из них в течение 12 часов в атмосфере водорода и аргона. Разрядная емкость материала составила ~80 мАч/г (Journal of Power Sources. 2006, V.154, P.287-289).

Недостатком способа является низкая разрядная емкость материала и сложность процесса получения соединения, заключающаяся в применении водорода и аргона при термообработке, и длительность процесса.

Известен способ получения титаната лития из смеси TiO2 и Li2CO3 при мольном соотношении Ti/Li, равном 2,27. Исходные компоненты смешивают в ацетоне или воде с добавлением полимеров, прокаливают при 850°C как на воздухе, так и в атмосфере азота в течение 36 часов с образованием продукта со структурой шпинели. Полученный продукт имеет разрядную емкость 110-150 мАч/г (Journal of Power Sources. 126 (2004), P.163-169).

Недостатком данного способа является невысокая разрядная емкость материала, необходимость введения азота при термообработке и длительность процесса.

Известен способ получения титаната лития, в котором TiO2 (анатаз) и Li2CO3, взятые в стехиометрическом соотношении, смешивают в среде: алькоголь-вода-сахар, полученную смесь сушат и подвергают термообработке в течение 36 часов, из них в течение 12 часов при 750°C и 24 часа при 850°C с получением композита Li4Ti5O12/C, разрядная емкость которого составила 160 мАч/г при хорошей циклируемости (Journal of Power Sources. 174 (2007), P.1109-1112). Способ принят за прототип.

К недостаткам данного способа относятся длительность процесса синтеза и проведение дополнительной операции - сушки перед термообработкой.

Техническим результатом изобретения является сокращение длительности процесса синтеза наноразмерного порошка композита Li4Ti5O12/C со 100-процентной структурой шпинели и в связи с этим сокращение энергозатрат.

Технический результат достигается тем, что в способе получения нанопорошков композита на основе титаната лития, включающем смешивание диоксида титана, карбоната лития и органического веществоа, содержащего углерод, и термическую обработку смеси при температуре 850°C до получения материала с 100% структурой шпинели, согласно изобретению карбонат лития берут в 10÷15% масс. избытке от стехиометрически необходимого для получения соединения Li4Ti5O12, в качестве вещества, содержащего углерод, используют крахмал, который вводят в смесь в количестве 10÷20% масс. от массы смеси, термообработку смеси проводят в течение 10-15 часов.

Сущность изобретения заключается в том, что заявленная совокупность признаков: избыток карбоната лития от стехиометрически необходимого, количество источника углерода, в качестве которого используют крахмал, и термообработка смеси при 850°C в течение 10-15 часов обеспечивает получение порошков композита на основе титаната лития с 100% структурой шпинели с высокими значениями разрядной емкости: 160-170 мАч/г. При этом значительно сокращаются энергозатраты, т.к. синтез материала осуществляют при температуре 850°C в течение 10-15 часов, а не 36 часов, как в прототипе и в известных способах.

При введении в исходную смесь карбоната лития менее 10% масс, избытка от стехиометрически необходимого количества увеличивается время термообработки материала до 40 часов для получения 100% структуры шпинели.

Введение смеси карбоната лития в исходную смесь в избытке от стехиометрически необходимого количества более 15% масс, приводит к образованию соединения Li2TiO, которое не имеет структуру шпинели, и, следовательно, необходимых эксплуатационных свойств материала.

Введение в исходную смесь крахмала в количестве более 20% масс. нецелесообразно, так как при температуре 850°C идет интенсивно реакция разложения крахмала с выделением газов, что приводит к уносу материала из прокалочного тигля и к потерям конечного продукта. При уменьшении количества крахмала в смеси менее 10% масс. снижается разрядная емкость получаемого композитного материала.

Термическая обработка исходной смеси компонентов менее 10 часов не обеспечивает получения материала необходимого качества. Термическая обработка исходной смеси компонентов более 15 часов нецелесообразна, так как приводит к повышению энергозатрат, не изменяя эксплуатационных характеристик материала.

Пример осуществления способа.

Для получения исходной смеси берут порошки: TiO2 (анатаз) - 24 г; Li23 - 9,2 г, крахмал - 6,0 г. Смесь перемешивают в электросмесителе в течение (30 минут и подвергают термической обработке при температуре 850°C в течение 15 часов. Далее исследуют структуру полученного материала рентгенофазовым анализом (РФА) и определяют полноту перехода материала в соединение Li4Ti5O12 со структурой шпинели. Получили порошок материала с размером зерна 60-70 нм по электронно-микроскопическому анализу. Полученный композит Li4Ti5O12/C имеет разрядную емкость, близкую к теоретическому значению - 160 мАч/г. Потеря емкости при циклировании близка к нулю.

Результаты осуществления способа, полученные при различных параметрах, представлены в таблице.

N п/п Избыток Li2CO3 Содержание крахмала в смеси Время термообработки смеси Примечание
1 0 0 40 Разрядная емкость =90 мАч/г
2 10 0 24 Разрядная емкость =100 мАч/г
3 12 0 24 Разрядная емкость =100 мАч/г
4 15 0 24 Разрядная емкость =100 мАч/г
5 20 0 40 Образование Li2TiO
6 14 5 30 Разрядная емкость =110 мАч/г
7 14 10 10 Разрядная емкость =160 мАч/г
8 15 20 15 Разрядная емкость =170 мАч/г
9 15 25 15 Разложение крахмала и потери материала с газовыделением

Таким образом, заявленное изобретение позволяет получить наноразмерный порошок композита Li4Ti5O12/C с высокими эксплуатационными характеристиками, снизить энергоемкость процесса за счет уменьшения времени термообработки, упростить технологическую схему и экологичность процесса.

Способ получения нанопорошков композита на основе титаната лития Li4Ti5O12/C, включающий смешивание диоксида титана, карбоната лития и органического вещества, содержащего углерод, и термическую обработку полученной смеси при температуре 850°C до получения материала с 100% структурой шпинели, отличающийся тем, что согласно изобретению карбонат лития берут в 10÷15 мас.% избытке от стехиометрически необходимого для получения соединения Li4Ti5O12, а в качестве вещества, содержащего углерод, используют крахмал, который вводят в смесь в количестве 10÷20 мас.% от массы смеси, термическую обработку смеси проводят в течение 10-15 часов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к композиционному наноматериалу для химических источников тока, состоящему из порошка оксидов сложного состава, смешанного с электропроводной углеродной добавкой и связующим.

Изобретение относится к двум вариантам литий-ионной перезаряжаемой батареи, в которой в одном из вариантов электролит содержит по меньшей мере 1 мас.% циклического карбоната, содержащего винильную группу, и от 3 до 70 мас.% фторированного циклического карбоната от общей массы раствора электролита.

Группа изобретений относится к биохимии. Предложен способ изготовления электрода с иммобилизованным белком путем иммобилизации цитохрома с552, его производного или варианта на золотом электроде таким образом, что гидрофобная часть цитохрома, его производного или варианта расположена напротив золотого электрода.

Заявленное изобретение относится к отрицательному электроду для литий-ионной аккумуляторной батареи и к способу его изготовления. Отрицательный электрод имеет токоотвод и слой активного материала отрицательного электрода, сформированный на поверхности токоотвода и содержащий частицы активного материала отрицательного электрода.

Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно, к способу получения материала для положительного электрода литий-ионного аккумулятора и к самому аккумулятору.

Заявленное изобретение относится к области электротехники, а именно к биполярному электроду биполярной аккумуляторной батареи и к способу ее изготовления. Биполярный электрод состоит из первого слоя активного материала, который представляет собой, например, слой активного материала положительного электрода, сформированный из первого активного материала на одной стороне токоотвода, и второго слоя активного материала, который представляет собой слой активного материала отрицательного электрода, сформированный из второго активного материала с меньшей прочностью на сжатие, чем у первого активного материала, на другой стороне токоотвода.

Изобретение относится к области электротехники. Предложен литиевый аккумулятор, включающий, по крайней мере, два объемных электрода, разделенных сепаратором и помещенных вместе с электролитом, содержащим безводный раствор литиевой соли в органическом полярном растворителе, в корпус аккумулятора, каждый электрод имеет минимальную толщину 0,5 мм, и хотя бы один из этих электродов содержит гомогенный спрессованный раствор электропроводного компонента и активного материала, способного поглощать и выделять литий в присутствии электролита, при этом пористость спрессованных электродов составляет от 25% до 90%, активный материал имеет структуру полых сфер с максимальной толщиной стенки 10 микрометров или структуру агрегатов или агломератов с максимальным размером 30 микрометров, при этом сепаратор содержит высокопористый электроизоляционный керамический материал с открытыми порами и пористостью от 30% до 95%.
Изобретение относится к способу изготовления материала электрода для электрохимического получения водорода, который заключается в том, что на поверхность электрода наносят порошкообразную композицию Fe-C и осуществляют синтез нанокристаллических элементов Fe-C со средним размером в пределах 10-15 нм обработкой лазерными импульсами с длиной волны 1-1,5 мкм при плотности излучения 107-109 Вт/см2, скорости сканирования лазером 8-15 см/с, частоте импульсов 33-60 кГц в вакууме или в среде аргона, не доводя при этом процесс до плавления и появления карбида железа Fe3C.

Настоящее изобретение предусматривает способ тонкодисперсного осаждения порошка металлического лития или тонкой литиевой фольги на подложку, избегая применения растворителя.

Изобретение относится к каталитическому электроду для мембранно-электродных блоков спиртовых (использующих в качестве топлива метанол или этанол) топливных элементов, где в качестве электрокаталитического материала используется электропроводный диоксид титана, легированный оксидом рутения в соотношении рутения к титану от 4 до 7 мол.%, с нанесенными на поверхности сферических частиц оксида титана, легированного рутением, наночастицами платины размером 3-5 нм.

Изобретение относится к разработке новых магнитных материалов с магнитным состоянием спинового стекла и может найти применение в химической промышленности и электронной технике, в частности, для разработки моделей новых типов устройств магнитной памяти.

Изобретение относится к материалам электронной техники и может быть использовано в производстве термостабильных керамических резонаторов, подложек, фильтров и изделий СВЧ-техники.

Изобретение относится к технологии производства антифрикционных добавок и смазочных композиций для использования в узлах трения качения и скольжения в автомобильной, машиностроительной, текстильной, химической и других отраслях промышленности.
Изобретение относится к способам получения порошков фаз слоистых титанатов ряда s- и p-элементов (ВСПС), которые являются основой пьезоматериалов, широко применяющихся в современной аэрокосмической промышленности.

Изобретение относится к области производства теплоизоляционных материалов и может быть использовано для повышения энергоэффективности термического оборудования, для выполнения теплоизолирующего слоя промышленных установок, работающих при высоких температурах, а также для обеспечения пожаробезопасности установок, зданий и сооружений.

Изобретение относится к химической промышленности, а именно к способам получения керамических изделий, и может найти применение в производстве высокопрочной керамики, используемой в качестве конструкционного, огнеупорного, фрикционного или электроизоляционного материала.

Изобретение относится к тонкодисперсным титанатам свинца-циркония (PZT), гидратам титаната циркония (ZTH) и титанатам циркония как предшественникам титанатов свинца-циркония, к способу их получения путем реакции частиц диоксида титана с соединением циркония или соединением свинца и циркония.
Изобретение относится к материалам с низким значением температурного коэффициента линейного расширения, предназначенным для эксплуатации в условиях значительных термических нагружений, например, в виде огнеупорных изделий, деталей двигателей внутреннего сгорания, носителей катализаторов в устройствах дожигания выхлопных газов автомобилей, фильтров дизельных моторов и др., или в качестве прецизионных изделий, характеризующихся объемопостоянством в широком интервале температур.

Изобретение относится к области производства сегнетопьезокерамических материалов, предназначенных для создания высокочастотных приемо-передающих устройств медицинской ультразвуковой техники.

Изобретение относится к способам получения высокотемпературных керамических материалов на основе титаната алюминия золь-гель методом и может быть использовано в автомобилестроении, машиностроении, при изготовлении композиционных материалов для космической и авиационной техники.

Изобретение относится к получению титансодержащего соединения, используемого в качестве адсорбента и фотокатализатора. Заявлен способ получения металлоорганического каркасного соединения формулы Ti8O8(OH)4[O2C-C6H4CO2]6.
Наверх