周　菁，李　臻

(鄭州輕工業(yè)學院 材料與化學工程學院，河南 鄭州　450002)

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·開發(fā)與研究?

自氫氧化鋰制備鈦酸鋰及其在鋰離子電容器中的性能研究

周菁，李臻

(鄭州輕工業(yè)學院 材料與化學工程學院，河南 鄭州450002)

電極材料和器件結(jié)構(gòu)是開發(fā)性能優(yōu)異的儲能器件的關(guān)鍵因素，開發(fā)了一種以氫氧化鋰為起始原料制備納米鈦酸鋰的方法。該方法綠色、高效、經(jīng)濟，所得鈦酸鋰質(zhì)量高，電化學性能優(yōu)異。利用鈦酸鋰作為負極材料，商用活性炭作為正極材料，得到了一種結(jié)構(gòu)新穎、能量密度和功率密度優(yōu)異的儲能器件鋰離子電容器。

氫氧化鋰；碳酸鋰；鈦酸鋰；活性炭；鋰離子電容器

0　前言

消費電子產(chǎn)品在過去三十年中得到飛速發(fā)展，但是電池儲能少、充電慢、耗電快等問題困擾著每一個人[1]。與此同時，混合電動汽車、純電動汽車、可再生能源的開發(fā)應用也對儲能器件提出了新的更高的要求，如更高的能量密度，更好的倍率性能，更長的循環(huán)壽命等[2]。目前，鋰離子電池由于能量密度高、使用壽命長、無記憶效應等優(yōu)點，已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)的電化學電池如鉛酸電池、鎳氫電池等，在各領域得到了廣泛的應用[3]。但是，其表現(xiàn)還無法全面滿足前述電子產(chǎn)品和電動汽車等對儲能器件的要求。

在能量密度—功率密度圖上，與鋰離子電池相比處于另一端的是超級電容器[4-5]。其儲能原理基于電極材料表面可逆的雙電層吸/脫附過程或可逆的表面氧化還原反應，具有功率密度高和循環(huán)壽命長的特點[6]。近年來，一種結(jié)合了鋰離子電池和超級電容器各自特點的新型儲能器件——鋰離子電容器(Li-ion capacitor，LIC)，引起了研究人員的廣泛關(guān)注[7-10]。鋰離子電容器，稱為鋰離子混合電容器，是非對稱電容器的一種類型[11-12]。其正負極采用不同的電極活性材料，從而可以同時利用鋰離子電池和雙電層超級電容器的儲能機理來儲能，結(jié)合了兩種儲能器件的優(yōu)點。因此其能量密度、功率密度、工作電壓、循環(huán)壽命、安全性等都相當優(yōu)異。

在鋰離子電容器中，正極材料一般為雙電層類型電極材料。活性炭(Activated Carbon，AC)比表面積大，孔徑分布可調(diào)控，同時相比碳納米管、石墨烯等新型碳納米材料，價格非常低廉，在超級電容器領域被廣泛應用，可沿襲應用于鋰離子電容器。尖晶石型鈦酸鋰(Li4Ti5O12，LTO)是一種“零應變”材料，在鋰離子嵌入—脫出過程中電極材料體積無變化，循環(huán)壽命長，耐過充過放[13]。LTO的鋰離子擴散系數(shù)高，倍率性能相比石墨負極材料非常優(yōu)異，同時，其充放電電壓平臺高，不易產(chǎn)生鋰枝晶，安全性好[14]。此外，LTO的使用溫度范圍也較寬。鈦酸鋰的這些特點使其非常適合應用于鋰離子電容器[15-16]。

但是，相比目前廣泛使用的鋰電負極材料石墨，鈦酸鋰的價格還較為昂貴(3～5倍)。同時近幾年來，作為鈦酸鋰生產(chǎn)所需原料的高純度碳酸鋰(Li2CO3)因為上游企業(yè)的壟斷和下游產(chǎn)業(yè)日益增長的需求，市場價格快速上升，且供貨嚴重不足，進一步推高了鈦酸鋰的價格，制約了其市場推廣[17-19]。

因此，在本研究中，我們以市場價格較為低廉、供應充足的氫氧化鋰作為起始原料，通過沉淀法制備中間產(chǎn)物碳酸鋰，進一步和二氧化鈦(TiO2)反應制備得到了鈦酸鋰。利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線粉末衍射(XRD)、粒度分析等手段對制得的鈦酸鋰進行了形貌、結(jié)構(gòu)、成分分析，并研究了其儲鋰性能。最后，利用鈦酸鋰和商業(yè)活性炭分別作為正負極材料，裝配了鋰離子電容器，并測試了其電化學性能。

1　材料和方法

1.1試劑及儀器

氫氧化鋰(LiOH·H2O，分析純，純度≥90.0%，上海國藥集團)，二氧化碳(高純，鄭州念龍商貿(mào)有限公司)，TiO2(分析純，阿拉丁公司)，聚乙烯醇(98%，沃凱化成工業(yè)(上海)有限公司)，水系微孔濾膜(0.22 μm及0.45 μm，50 mm直徑，天津美瑞泰克有限公司)，商用活性炭YP50(日本可樂麗公司)，聚四氟乙烯(PTFE，上海杜邦公司)，聚偏氟乙烯(PVDF，Solef 5130,Solvay,美國)，N-甲基吡咯烷酮(NMP，分析純，阿拉丁公司)，導電添加劑Super P(瑞士TIMCAL)，鋰金屬箔片(天津中能鋰業(yè)有限公司)，銅箔(10 μm，深圳比塬)，鋰離子電池隔膜(單層PP隔膜，Celgard 2400，美國Celgard)，有機系鋰離子電解液[1 mol/L LiPF6/(碳酸乙烯酯EC∶碳酸二甲酯DEC∶碳酸二乙酯DMC=1∶1∶1)，張家港國泰華榮化工新材料有限公司]。

真空抽濾器(美瑞泰克有限公司)，真空循環(huán)水泵(鞏義予華儀器有限公司)，數(shù)控超聲波清洗器(KQ400 KDE，400W，鞏義予華儀器有限公司)，真空干燥箱(鞏義予華儀器有限公司)，恒溫電熱鼓風干燥箱(上海一恒科技儀器有限公司)，管式爐(天津中環(huán)集團，THERMOLYNE 79400 Tube Furnace)，精密電子天平(德國賽多利斯BT25S)，真空手套箱(米開羅那有限公司)，電化學分析系統(tǒng)(LK98B Ⅱ，天津市蘭力科化學電子高技術(shù)有限公司)，電化學工作站(Autolab，瑞士萬通)，電池測試系統(tǒng)(LAND CT2001A，武漢市藍電電子股份有限公司；Multi-Stations,Multi-Electrodes PST/GST，美國Arbin)，掃描電子顯微鏡(SEM，F(xiàn)EI NanoSem 430 場發(fā)射掃描電子顯微鏡，加速電壓5 kV或20 kV)，拉曼光譜(Raman，雷尼紹inVia激光拉曼光譜儀，激發(fā)光波長514.5 nm)，紅外光譜(Tensor 27 FT-IR,Bruker)，元素分析(EA，Vario Micro cube，Elementar，德國)，X射線粉末衍射(XRD，Rigaku D/Max-2500衍射儀，Cu Kα線)，比表面及孔徑分布(Micromeritics ASAP 2020 apparatus綜合孔徑分析儀)，電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS，X7 Series，Thermo Electron Corporation,USA)，粒度分析(Mastersizer 2000，Malvern Instruments)，球磨機(QM-3SP04，南京南大儀器廠)。

1.2實驗方法

1.2.1碳酸鋰的制備

取LiOH·H2O 配制質(zhì)量分數(shù)為10%的水溶液，采用磁力攪拌直至溶液澄清透明。將溶液倒入三口燒瓶，分別插入溫度計、進氣管和出氣管，其中進氣管出氣位置調(diào)整至溶液中下部。低速磁力攪拌下，以1 L/min的速度向體系內(nèi)通入二氧化碳，如冬季室溫太低，可對反應體系進行適當加熱(30 ℃即可)以免反應進行太慢。隨著反應的進行，大量白色絮狀物生成并沉降，此時應適當加快攪拌速度并調(diào)整進氣管出氣位置使其處于液相而不是固相中，以免進氣管出口被堵塞。通入氣體約45 min，反應體系pH值為8～9，測得整個體系因吸收CO2增重接近理論增重量時，停止通入氣體。隨后將反應體系加熱至80 ℃左右，趁熱過濾，再用80 ℃以上的熱水對所得產(chǎn)物進行洗滌，反復三次以上，除去反應過程中可能產(chǎn)生的LiHCO3及其它可溶雜質(zhì)。將過濾得到的產(chǎn)物放置于120 ℃的烘箱中烘干12 h得到最終產(chǎn)品，產(chǎn)品為白色粉末。

1.2.2鈦酸鋰的制備

鈦酸鋰的制備采用高溫固相反應，在具體的操作中，采用一步法，無需分離干燥上述由LiOH制備得到的Li2CO3。在向LiOH水溶液通入CO2制備Li2CO3的體系中，當反應結(jié)束停止通氣后，體系pH值為8～9，此時，向體系中加入一定量的TiO2使得整個體系的Ti∶Li約為4.2∶5，再向體系中加入適量的蒸餾水調(diào)節(jié)體系的固含量。隨后，將此混合液加入球磨機，可適當加入少量聚乙烯醇作為表面活性劑以利于固體分散。在600 r/min的轉(zhuǎn)速下球磨5 h，獲得顆粒較小且混合均勻的漿液。120 ℃下干燥此漿液除去多余水分，然后在空氣氣氛下，400 ℃煅燒4 h，隨后在氮氣氣氛下，850 ℃再次煅燒6 h，冷卻至室溫，即可得到最終產(chǎn)品，產(chǎn)品為白色粉末。

1.2.3電極極片制備

將活性材料LTO、導電劑Super P以及黏結(jié)劑PVDF(配成質(zhì)量分數(shù)5 %的N-甲基吡咯烷酮溶液，簡稱NMP溶液)按照質(zhì)量比85∶5∶10的比例混合均勻制成漿料，用刮刀涂覆到集流體銅箔上，置于60 ℃鼓風烘箱中加熱3 h，之后再升溫至150 ℃，保溫1 h。將烘干后的薄膜裁成直徑為10 mm的圓電極片，稱重獲取活性材料負載質(zhì)量。將此極片在高真空(180 ℃)下干燥過夜，徹底去除極片中的殘留溶劑及水分。密閉轉(zhuǎn)移到手套箱中備用。

將活性炭、導電劑Super P以及黏結(jié)劑PTFE按照85∶5∶10的比例混合，在研缽中充分研磨并滴入少量乙醇使之混合均勻，將獲得的具有黏性的混合物搟壓成膜，厚度根據(jù)需要可調(diào)，裁成直徑為10 mm的圓形電極片。將此極片真空加熱到120 ℃干燥6 h，稱重后將其熱壓到作為集流體的涂膠鋁箔上，再次使用模切刀按照形狀裁下帶有集流體的電極極片。將此極片在高真空(180 ℃)下干燥過夜，徹底去除極片中的殘留溶劑及水分。密閉轉(zhuǎn)移到手套箱中備用。

1.2.4半電池及鋰離子電容器裝配

在充滿Ar氣的手套箱中，選用活性炭電極作為正極，鋰箔(直徑12.5 mm，厚度0.5 mm)作為負極/對電極，按照標準流程裝配扣式電池(型號2430)，所用電解液為鋰離子電池電解液[1 mol/L LiPF6/(EC∶DEC∶DMC=1∶1∶1)]。此半電池用于測試活性炭材料的電化學性能。相類似將活性炭電極替換為LTO電極組裝半電池，用于測試LTO的電化學性能。最后，選用LTO電極作為負極，一定厚度/質(zhì)量的活性炭電極作為正極，選用鋰離子電池電解液，裝配扣式電池，即得到鋰離子電容器，可測試其電化學性能。

2　結(jié)果和討論

2.1碳酸鋰的質(zhì)量分析

原理上，氫氧化鋰也可以作為原料提供鈦酸鋰制備時所需的鋰源，但是氫氧化鋰作為一種強堿，對設備的腐蝕較大，所以一般工業(yè)生產(chǎn)上選用碳酸鋰作為生產(chǎn)鈦酸鋰的原料。但是，純度較低的碳酸鋰會影響最終制備的鈦酸鋰的純度，雜質(zhì)的引入將影響最終產(chǎn)品的電化學性能，同時，碳酸鋰的晶粒大小也會影響最終鈦酸鋰的晶粒尺寸，過大的LTO顆粒將會削弱材料的倍率性能。制備不同批次碳酸鋰的XRD譜圖見圖1。

圖1　碳酸鋰的XRD譜圖

由圖1可知，該產(chǎn)品的批次均勻性好，與碳酸鋰的標準譜圖相比，沒有雜峰出現(xiàn)，證明產(chǎn)品的純度較高[20]。同時，樣品較窄的半峰寬也證明了晶體較高的結(jié)晶質(zhì)量。樣品ICP-MS的結(jié)果見表1，可見各種雜質(zhì)元素的含量都是很低的。

表1　碳酸鋰中雜質(zhì)元素的含量　×10-6

制備得到的碳酸鋰二次顆粒分布均勻，尺寸為15～80 μm，主要受干燥過程制約；碳酸鋰的一次顆粒是尺寸在幾百納米到1～2 μm的梭形顆?；虿灰?guī)則薄片，分布也相當均勻，見圖2。這種準納米級的顆粒在制備LTO的工藝流程中，經(jīng)過簡單的球磨即可形成納米顆粒并與二氧化鈦充分混合，非常有利于形成尺寸較小的鈦酸鋰顆粒，獲得較好的倍率性能。

圖2　碳酸鋰的SEM照片

2.2鈦酸鋰的質(zhì)量分析

在鈦酸鋰的制備中，并未分離干燥由氫氧化鋰制備得到的碳酸鋰，而是將固液混合物直接投入下一步反應制備LTO。因此，表征分析了制備得到鈦酸鋰的形貌、純度等，結(jié)果見圖3。

圖3　鈦酸鋰的SEM照片

由圖3可知，得到的鈦酸鋰一次顆粒尺寸在納米級別(100～200 nm)，二次顆粒由一次顆粒松散堆積形成。粒徑分析結(jié)果(見圖4)也顯示顆粒尺寸分布有兩個主要的峰，分別對應一次顆粒和二次顆粒，D(50)為1.576 μm。樣品的BET比表面積為5.52 m2/g。

圖4　鈦酸鋰的粒徑分布結(jié)果

表2給出了鈦酸鋰的化學成分分析結(jié)果，可見Li含量和Ti含量都是非常接近理論值的，幾種可能引入的雜質(zhì)的含量都很低，不會對樣品的電化學性能造成影響。

表2　鈦酸鋰中主要元素和微量元素的含量　%

XRD結(jié)果如圖5所示，所得產(chǎn)品為尖晶石型鈦酸鋰，譜圖中沒有其他的衍射峰存在，證明產(chǎn)品的純度很高，主要的特征峰半峰寬窄，峰強度高，證明晶體的結(jié)晶質(zhì)量很高。

圖5　鈦酸鋰的XRD譜圖

注：插圖為鈦酸鋰的紅外光譜圖圖6　鈦酸鋰的拉曼光譜圖

2.3鈦酸鋰的電化學性能

裝配好的鈦酸鋰半電池在測試前要陳化12 h，測試時先用0.2 C(1 C=175 mA/g)的電流充放電循環(huán)兩周后再開始進行倍率性能以及循環(huán)壽命測試，結(jié)果見圖7。

由圖7可知，LTO半電池均以0.5 C充電，在不同電流密度下放電。在0.5 C的電流密度下，制備的鈦酸鋰的可逆容量達到153 mAh/g，在未改性的鈦酸鋰中是比較高的。在5 C和10 C的電流密度下，可逆容量保持率約為70.6%和40.5%，可見其倍率性能是非常優(yōu)異的。充電平臺電壓在1.58 V(vs Li+/Li)，與1.55 V(vs Li+/Li)的理論平臺電壓也是非常接近的[22]。

圖7　鈦酸鋰的充放電曲線

鈦酸鋰半電池在0.5、1、3、5和10 C下可逆充放電的比容量，見圖8，體現(xiàn)了其優(yōu)異的倍率性能，在每個倍率下的充放電循環(huán)中容量穩(wěn)定性也很好。此外，在不同倍率下，電池的庫侖效率均接近100%，能量利用率很高，這也體現(xiàn)了制備的鈦酸鋰材料的質(zhì)量是很高的。

圖8　鈦酸鋰的倍率容量和庫侖效率

圖9是鈦酸鋰在0.5 C電流密度下的循環(huán)壽命，100周的容量保持率約為79%，350周的容量保持率約為73%，電池的庫侖效率始終接近100%。

圖9　鈦酸鋰的循環(huán)壽命

2.4活性炭的基本表征和電化學性能

為了組裝最終的鋰離子電容器，需要掌握正負極材料活性炭和鈦酸鋰各自的電化學性能。下面將對使用的活性炭(型號RP50)進行基本的表征分析和電化學性能測試。

綜合孔徑分析結(jié)果顯示，選用的活性炭BET比表面積為1 478 m2/g，BET平均孔徑為1.84 nm，BJH平均孔徑為2.91 nm，孔徑分布見圖10，可見主要是微孔?；钚蕴款w粒的粒徑分布見圖11，D(50)為5.237 μm。其元素分析結(jié)果顯示C含量為97.3%。

圖10　活性炭的孔徑分布

圖11　活性炭的粒徑分布

活性炭的SEM(見圖12)顯示其為不規(guī)則外形的顆粒，其尺寸與粒徑分布結(jié)果是吻合的。

圖12　活性炭的SEM照片

圖13給出了活性炭半電池的充放電曲線，三角形的曲線形狀表明了其在鋰離子電池電解液中優(yōu)異的雙電層儲能性能。同時，其電化學電勢窗口相對Li+/Li較高，適合作為鋰離子電容器的正極材料。

圖13　活性炭半電池的充放電曲線

活性炭在鋰離子電池電解液中不同電流密度下的比電容值如圖14所示。在0.5 A/g時約為120 F/g，換算成比容量，則在2.5～4.5 V(相對于Li+/Li)的電勢窗口內(nèi)約為66 mAh/g。

圖14　活性炭在不同電流密度下的比電容值

2.5鋰離子電容器的性能

鋰離子電容器中，活性炭充當正極材料，鈦酸鋰充當負極材料，充電時，電解液中的陰離子吸附在正極材料上形成雙電層，而鋰離子嵌入負極材料，整個器件的電壓升高。放電時器件的電化學過程反向進行，即陰離子從正極脫附，鋰離子從負極脫出，器件電壓下降。因為正負極材料的比容量不同，所以需要進行活性質(zhì)量的匹配使得正負極材料的容量均得到最優(yōu)的發(fā)揮。理論上，最佳的正負極質(zhì)量比應為(m+/m-)為 2.42。在實際操作中，裝配了不同正負極質(zhì)量比的鋰離子電容器進行測試。

圖15給出了正負極質(zhì)量比為2.56的鋰離子電容器在不同電流密度下的充放電曲線?？梢姡?jīng)過優(yōu)化，器件最大的工作電壓可以達到3.0 V；充放電曲線呈現(xiàn)的形狀是正負極材料充放電曲線的結(jié)合，而且充電和放電曲線的對稱性好，證明器件的庫侖效率非常高，能量利用率很好。將電流密度增加到1 750 mA/g時(相當于鈦酸鋰的10 C充放電)，器件可以在8 min內(nèi)完成一次完整充放電，同時充放電曲線無變形，對稱性好，體現(xiàn)出非常優(yōu)異的倍率性能。

圖15　鋰離子電容器在不同電流密度下的充放電曲線

正負極質(zhì)量比分別為2.56、2.94和3.47的鋰離子電容器的功率密度—能量密度曲線如圖16所示。其中，質(zhì)量比為2.56的鋰離子電容器，其最大能量密度約為92 Wh/kg，最大功率密度約為1 700 W/kg，與上述理論最佳正負極質(zhì)量比2.42比較接近。相比正負極均為活性炭的對稱結(jié)構(gòu)的超級電容器，鋰離子電容器的最大能量密度是其最大能量密度的237%。與此同時，鋰離子電容器也表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能，在功率密度與對稱超級電容器相當?shù)墓r下(1 500～2 000 W/kg范圍內(nèi))，其能量密度依然可以達到后者的180%左右。

圖16　不同正負極質(zhì)量比的鋰離子電容器及對稱超級電容器的能量密度—功率密度圖

3　結(jié)論

以價格低廉、供應充足的氫氧化鋰與二氧化碳反應制備出了高純度的碳酸鋰，可以無需分離進一步與二氧化鈦反應制備鈦酸鋰。此方法綠色、高效，所得鈦酸鋰為納米級顆粒，純度高，電化學性能優(yōu)異。以此鈦酸鋰為負極材料，商用活性炭為正極材料，制備的鋰離子電容器最為能量密度92 Wh/kg，最大功率密度約為1 700 W·h/kg，電容器也表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率性能。

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Preparation of Lithium Titanate from Lithium Hydroxide and Its Performance Research in Li-ion Capacitor

ZHOU Jing,LI Zhen

(School of Material and Chemical Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou450002,China)

Electrode materials and device structure are key factors to develop energy storage devices with excellent performance.Preparation of nano lithium titanate is developed using lithium hydroxide as material.The method is green,efficient and inexpensive,which has high quality lithium titanate and excellent electrochemical properties.Using lithium titanate as the positive electrode material and commercial activated carbon as the negative electrode material,the Li-ion capacitor,a novel energy storage device with excellent structure,energy density and power density is obtained.

lithium hydroxide;lithium carbonate;lithium titanate;activated carbon;Li-ion capacitor

2016-07-26

周菁(1987-)，女，助理實驗師，從事化學工程與工藝研究工作，電話：18236978627。

TQ131.11，TM911.14

A

1003-3467(2016)10-0014-07