本發(fā)明涉及一種鈦酸鋰粉體的制備方法，屬于材料制備技術(shù)和新能源材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鈦酸鋰材料具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、鋰離子擴(kuò)散系數(shù)高、對鋰電位遠(yuǎn)高于鋰沉積電位、適用環(huán)境溫度范圍寬等特點，用于鋰離子電池負(fù)極材料時具備容量穩(wěn)定、充放電倍率高、安全性能好、高低溫性能好等優(yōu)勢，是鋰離子動力電池和儲能電池負(fù)極材料的發(fā)展趨勢之一。鈦酸鋰粉體材料制備方法主要有固相合成、水熱合成、溶膠-凝膠法、微波合成法等，其中固相合成粉體是制備粉體材料的傳統(tǒng)方法，工藝成熟度和規(guī)模化程度最高，固相合成工藝不足在于高溫處理時間較長(1-24h)、晶體生長粒度較大、粉體粒度難均勻控制。

常規(guī)固相合成工藝所用方法是將原料置于坩堝內(nèi)，一定數(shù)量的坩堝一起放入馬弗爐或隧道窯中在600-1000℃溫度下煅燒2-24小時得到鈦酸鋰粉體。在這種固相合成法工藝過程中，實現(xiàn)鈦酸鋰粉體固相反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)過程所需的熱能來源路徑如下：高溫爐體通過輻射和爐體內(nèi)高溫氣體將坩堝加熱，坩堝受熱后通過固相傳熱達(dá)到粉體合成的溫度和動能，由于熱擴(kuò)散路徑長且不均一、熱擴(kuò)散介質(zhì)涉及多相且熱擴(kuò)散系數(shù)都不高，不同位置的坩堝、不同堆積密度的粉體都對粉體受熱和固相反應(yīng)有影響，因此常規(guī)固相合成工藝有三個方面的不足：1、粉體受熱難以均勻，不同坩堝的受熱情況有差別，同一坩堝內(nèi)粉體也有差別，產(chǎn)物粉體的結(jié)晶程度和晶粒大小均勻性不如化學(xué)合成法產(chǎn)品；2、粉體受熱速度較慢，單批次生產(chǎn)耗時較長；3、粉料批次更換時耗時長、耗能較大，尤其是馬弗爐，在處理完一批次產(chǎn)品后需要將加熱爐降溫，換料完成后重新加熱至工作溫度，即使是隧道窯一類的粉料連續(xù)進(jìn)出的生產(chǎn)形式，每批次產(chǎn)品出料時高溫氣體帶走的熱能也較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決常規(guī)固相合成鈦酸鋰粉體工藝的上述技術(shù)問題，提供一種氣相加熱的固相合成鈦酸鋰粉體方法，以提高粉料受熱均勻性和效率，降低物料更換的熱能損耗。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，其具體的技術(shù)方案如下：

一種氣相加熱的固相合成鈦酸鋰粉體的方法，以預(yù)先加熱到某一目標(biāo)溫度的高溫氣體為熱源，高溫氣體按照一定速率和壓力通入到裝載粉體原料的反應(yīng)容器內(nèi)與粉體進(jìn)行熱交換，高溫氣體在反應(yīng)容器和氣源之間循環(huán)流動，直至粉料達(dá)到目標(biāo)溫度和保溫時間；完成一批粉料的加熱和保溫后，斷開高溫氣源，更換反應(yīng)容器即可快速開始新一批次粉料的加熱。

所述的高溫氣體包括但不限于空氣、氮?dú)?、氬氣、氫氣、水蒸汽、二氧化碳、混合氣等，?yōu)選的氣體為氮?dú)夂涂諝狻?/p>

所述的氣體加熱到某一目標(biāo)溫度的加熱方式包括但不限于電加熱、燃料加熱、輻射加熱、電磁波加熱等，優(yōu)選加熱方式為電加熱和燃料加熱。

所述的某一目標(biāo)溫度可以根據(jù)原料特征進(jìn)行選擇，也可以分步設(shè)定目標(biāo)溫度，優(yōu)選的第一目標(biāo)溫度400-700℃，保溫0.1-4小時，第二目標(biāo)溫度700-950℃，保溫0.1-4小時。

所述的粉體原料包括但不限于碳酸鋰、氫氧化鋰、硝酸鋰、醋酸鋰、草酸鋰、二氧化鈦、碳粉、銀粉、錫粉等粉體組成的混合原料或預(yù)處理的活性前驅(qū)體，優(yōu)選的原料為鈦酸鋰或硝酸鋰為鋰源、碳粉為導(dǎo)電劑和表面修飾材料、納米二氧化鈦為鈦源組成的原料。

所述的反應(yīng)容器包括但不限于不銹鋼、高溫合金鋼、陶瓷材質(zhì)的罐體或坩堝，反應(yīng)容器有供高溫氣體進(jìn)入和排出的接口，優(yōu)選的反應(yīng)容器為氧化鋁、石英、氧化鋯等陶瓷材質(zhì)、兩端有氣體進(jìn)出孔的罐體，氣孔進(jìn)出口布置粉體過濾的氣體凈化裝置。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及有益效果：

1、本發(fā)明提供一種鈦酸鋰粉體材料氣熱固相合成方法，利用加熱后的熱氣循環(huán)通入到原料反應(yīng)容器，優(yōu)選的反應(yīng)容器內(nèi)布置熱氣均勻分布的管路或多孔零件，反應(yīng)容器內(nèi)的物料各處均勻受熱，通過控制熱氣溫度和通入的速率可快速、均勻加熱粉料；相對于馬弗爐、隧道窯等將粉料放置于爐膛內(nèi)，使物料從外圍至內(nèi)部受熱的方式，本發(fā)明熱能擴(kuò)散介質(zhì)單一，而且流動性強(qiáng)，能夠提高粉料受熱的均勻性和加熱速度，提高產(chǎn)物鈦酸鋰粉體的結(jié)晶度和粒度均勻性。

2、本發(fā)明由于區(qū)別于傳統(tǒng)固相法將粉料置于高溫爐膛內(nèi)的方式，而是將粉料反應(yīng)容器和高溫氣體通過管路連接，在一批物料達(dá)到目標(biāo)溫度和受熱時間后可以在單獨(dú)將反應(yīng)容器分離出來進(jìn)行降溫和重新裝料程序，不需將加熱設(shè)施停止，也不需要將高溫?zé)釟饨禍兀鼡Q至新的原料時可以快速開始加熱，既能提高生產(chǎn)效率，又能夠節(jié)約能源。

附圖說明

圖1是實施例1和實施例2的粉料合成裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：1為反應(yīng)容器、2為熱氣供應(yīng)系統(tǒng)、3為粉體過濾裝置；

11為反應(yīng)容器外殼、12為反應(yīng)容器內(nèi)膽、13為反應(yīng)容器內(nèi)熱氣分流器、14為反應(yīng)容器氣體出口、15為反應(yīng)容器氣體入口；

21為電阻加熱爐、22為熱氣儲罐、23為電阻加熱爐氣體出口、24為電阻加熱爐氣體入口、25為氣體管路、26為熱氣儲罐氣體入口(高壓端)、27為熱氣儲罐氣體出口(低壓端)。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。

實施例1

一種鈦酸鋰粉體的制備方法，包括以下步驟：

1、采用鈦酸鋰粉體、銳鈦礦二氧化鈦粉體為原料，按照Li:Ti＝(4～4.5)：5的化學(xué)配比混合均勻；

2、將原料裝載入反應(yīng)容器，所述的反應(yīng)容器外殼11為不銹鋼空心罐，內(nèi)膽12為氧化鋁陶瓷空心罐，熱氣分流器13為表面均勻排布?xì)饪椎牟讳P鋼空心管，粉體過濾裝置14為SiC微孔管式過濾管器；

3、反應(yīng)容器進(jìn)氣口和排氣口分別與熱氣供應(yīng)系統(tǒng)連接，如附圖1所示，熱氣系統(tǒng)預(yù)先將內(nèi)部空氣加熱至900℃，并保持在900℃，壓力控制在0.1-0.8MPa；

4、將熱氣系統(tǒng)的高溫空氣按照1-200L/分鐘的速率通入至反應(yīng)容器，反應(yīng)容器排出的空氣和少量二氧化碳?xì)怏w回流至熱氣系統(tǒng)，控制氣體流速使粉體溫度以5-10℃/分鐘速率升溫達(dá)到600℃時保溫0.5小時，再以5-10℃/分鐘速率升溫達(dá)到850℃時保溫0.5小時；

將應(yīng)容器與熱氣供應(yīng)系統(tǒng)斷開，反應(yīng)容器內(nèi)通入常溫空氣，調(diào)節(jié)空氣流速使粉體降溫后取出得到產(chǎn)物鈦酸鋰粉體；同時熱氣供應(yīng)系統(tǒng)不降溫情況下與新的裝載原料的反應(yīng)容器連接，開始新一批粉料加熱。

實施例2

一種鈦酸鋰粉體的制備方法，包括以下步驟：

1、采用硝酸鋰粉體、銳鈦礦二氧化鈦粉體為原料，按照Li:Ti＝(4～4.5)：5的化學(xué)配比混合均勻，并加入質(zhì)量百分比1％的碳粉作為導(dǎo)電劑；

2、將原料裝載入反應(yīng)容器，所述的反應(yīng)容器外殼11為不銹鋼空心罐，內(nèi)膽12為氧化鋯陶瓷空心罐，13熱氣分流器為表面均勻排布?xì)饪椎膭傆窨招墓埽垠w過濾裝置14為SiC管式過濾管器；

3、反應(yīng)容器進(jìn)氣口和排氣口分別與熱氣供應(yīng)系統(tǒng)連接，如附圖1所示，熱氣系統(tǒng)預(yù)先將內(nèi)部氮?dú)饧訜嶂?50℃，并保持在850℃，壓力控制在0.1-0.8MPa；

4、將熱氣系統(tǒng)的高溫氮?dú)獍凑?-200L/分鐘的速率通入至反應(yīng)容器，反應(yīng)容器排出的氮?dú)夂蜕倭慷趸獨(dú)怏w回流至熱氣供應(yīng)系統(tǒng)，控制氣體流速使粉體溫度以5-10℃/分鐘速率升溫達(dá)到500℃時保溫0.5小時，再以5-10℃/分鐘速率升溫達(dá)到800℃時保溫0.5小時；

將應(yīng)容器與熱氣供應(yīng)系統(tǒng)斷開，反應(yīng)容器內(nèi)通入常溫氮?dú)?，調(diào)節(jié)氮?dú)饬魉偈狗垠w降溫后取出得到產(chǎn)物鈦酸鋰粉體；同時熱氣供應(yīng)系統(tǒng)不降溫情況下與新的裝載原料的反應(yīng)容器連接，開始新一批粉料加熱。

按照上述實施例，便可很好地實現(xiàn)本發(fā)明。