12031-82-2
中文名稱
鈦酸鋰
英文名稱
Lithium titanate, nanopowder
CAS
12031-82-2
EINECS 編號
234-759-6
分子式
Li2O3Ti
MDL 編號
MFCD00016181
分子量
109.75
MOL 文件
12031-82-2.mol
更新日期
2025/05/29 10:07:05
12031-82-2 結(jié)構(gòu)式
基本信息
中文別名
鈦酸鋰鋰鈦氧
氧化鈦
鈦酸鋰, 99% (METALS BASIS)
英文別名
LITHIUM TITANATELITHIUM TITANIUM OXIDE
TITANIUM OXIDE
Lithiumtitanatewhitepowder
dilithium titanate
LITHIUM TITANATE, -325 MESH
Lithium titanium oxide, 99% (metals basis)
lithiurn titarlate
所屬類別
無機化工產(chǎn)品: 無機鹽: Cp鉬、鈦、鎢、釩、鋯物理化學性質(zhì)
外觀性狀鈦酸鋰為白色粉末，熔點1520～1564℃，不溶于水，有很強的助熔性質(zhì)。
熔點1520-1564°C
密度3.418 g/cm3
折射率2.087 (589.3 nm)
溶解度insoluble in H2O
形態(tài)粉末
顏色米白色
水溶解性Insoluble in water.
CAS 數(shù)據(jù)庫12031-82-2(CAS DataBase Reference)
EPA化學物質(zhì)信息Titanate (TiO32-), dilithium (12031-82-2)
常見問題列表
電極材料
鈦酸鋰（Li4Ti5O12）是一種金屬鋰和低電位過渡金屬鈦的復合氧化物，具有缺陷的尖晶石結(jié)構(gòu)。20世紀70年代被作為超導材料進行大量研究, 80年代末曾作為鋰離子蓄電池的正極材料進行研究, 但因為它相對于鋰電位偏低且比能量也較低(理論比容量為175 mAh/g), 而未能引起人們的廣泛關注。1996年, 加拿大研究者K.Zaghib首次提出可采用鈦酸鋰材料作負極與高電壓正極組成鋰離子蓄電池、與碳電極組成不對稱超級電容器。后來, 小柴信晴等人也將其作為鋰離子負極材料開展了研究。但直至1999年前后, 人們才對Li4Ti5O12作為鋰離子蓄電池的負極材料開始了大量的研究。具有尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰由于其在嵌脫鋰過程中晶格常數(shù)幾乎不發(fā)生變化，被稱為“零應變”材料，其理論嵌鋰電位為1.55V(vs．Li+/Li)，理論比容量為175mAh/g，由以下優(yōu)點：(1)在充放電過程中不會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化；(2)相對于Li+/Li的放電電壓接近1.55 V，不與電解液發(fā)生反應且不易引起金屬鋰析出；(3)鋰離子擴散系數(shù)(2×10－8cm2/s) 比碳負極高一個數(shù)量級；(4)庫侖效率高、原料無毒、價廉，適合環(huán)保和大規(guī)模開發(fā)；(5) 化學穩(wěn)定性好、制備簡單等，作為鋰離子動力電池負極材料，有望解決鋰離子電池的快速充電性能和安全性能，具有良好發(fā)展和應用前景。
結(jié)構(gòu)與性能
Li4Ti5O12具有尖晶石結(jié)構(gòu)，空間群為Fd3m，其中O2－位于32e位置，構(gòu)成FCC點陣，部分Li +位于四面體8a 間隙中，剩余Li +和Ti4 +位于八面體16d 間隙中，因此，其結(jié)構(gòu)式為: ［Li］8a［Li1/3Ti5/3］16d［O4］32e，晶格常數(shù)a =0.836nm。當外來的Li+嵌入Li4Ti5O12的晶格時，這些Li +開始占據(jù)16c 位置，而原來四面體8a 位置的Li +也開始遷移到八面體16c 位置，最后所有的16c 位置都被Li + 占據(jù)，形成了巖鹽型結(jié)構(gòu)的［Li2］16c［Li1/3Ti5/3］16d［O4］32e，所以其容量主要受可容納Li +的八面體空隙的數(shù)量所限制。顯然，八面體16d 位置的Li +、Ti4 +和Li +的脫嵌沒有關系，只是四面體8a 位置的Li +進入了八面體16c 位置，所以原尖晶石結(jié)構(gòu)嵌入Li +后并未改變格子常數(shù)，電極電勢不變，其充放電過程的相轉(zhuǎn)變可以用方程式［Li］8a［Li1/3Ti5/3］16d［O4］32e + xe － + xLi + →［Li1 + x］16c［Li1/3Ti5/3］16d［O4］32e來表示。反應產(chǎn)物Li7Ti5O12為淡藍色，由于出現(xiàn)Ti4 +和Ti3 +變價，其電子導電性較好，電導率約為10－2S/cm。
圖1為鈦酸鋰的尖晶石型結(jié)構(gòu)
有關鈦酸鋰的結(jié)構(gòu)與性能、制備方法等是由Chemicalbook的東方編輯整理。（2016-01-13）
制備方法
尖晶石型鈦酸鋰制備方法常見的主要有固相法、液相法及其它方法。固相法又可細分為高溫固相法、微波加熱法、固相快速冷卻法等方法。液相法包括溶膠凝膠法、水熱反應法、溶劑蒸發(fā)法及水解法等。此外，還出現(xiàn)了一些復合方法，如熔鹽法輔助固相法、噴霧干燥法及微波法輔助溶膠凝膠法等方法。1.固相法
固相法制備尖晶石型Li4Ti5O12具有明顯的優(yōu)點，即操作簡單，對設備要求低，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。但是缺點也很明顯，如產(chǎn)物粒徑不均勻，晶形不規(guī)則，合成周期長，化學計量控制難等。 目前Li4Ti5O12 的制備主要采用高溫固相法。通常是由TiO2 與Li2CO3 或LiOH 等鋰鹽作為原料，反應溫度通常在800℃～1000℃，反應時間多在10h～24h。高溫固相法制備出的Li4Ti5O12 顆粒比較粗，粒徑多為微米級。方興[7]等人以Li2CO3 和納米TiO2 為原料，在800℃時焙燒24h 制備出了粒徑為0.2μm～0.4μm 的鈦酸鋰顆粒，其首次放電容量為167mA·h/g，經(jīng)過80 次充放電循環(huán)后，容量變?yōu)?62mA·h/g。郭志紅等人在二步煅燒的基礎上，系統(tǒng)研究了高能球磨時間對制備出的Li4Ti5Ol2 粒徑及電化學性能的影響。前驅(qū)體球磨2 h 制得的Li4Ti5Ol2顆粒分布均勻，有良好的流動性，振實密度達1.70 g/cm3，0.1 C 首次放電比容量為174 mA·h/g， 接近理論比容量175 mA·h/g，5C 時放電比容量為124.2 mA·h/g。
微波加熱法具有迅速、清潔、高效、低耗及產(chǎn)品純度高等特點。LIJ等利用微波加熱法制備出了純相的尖晶石鈦酸鋰，在0.1mA/cm2 時首次放電容量達到162 mA·h/g， 在0.4mA/cm2 時首次放電容量達到144mA·h/g。
2.液相法
液相法具有化學均勻性好，化學純度高，化學計量比可精確控制等優(yōu)點。
溶膠-凝膠法多用鈦酸四丁酯、醋酸鋰或其它鋰鹽為原料，以乙醇為溶劑，按化學計量比制備成溶液，用月桂酸、乙酸、檸檬酸等作為螯合劑，焙燒溫度通常在700～800℃。王瑾等以月桂酸為分散劑，無水乙醇為溶劑， 采用無水溶膠-凝膠法合成了高分散的Li4Ti5O12 納米晶，粒徑約為120～275nm，基本無團聚，具有較好的分散性。0.1C 首次充放電比容量分別為244.57 和229.1mAh/g， 首次充放電效率為93.7%。經(jīng)過50 次循環(huán)后,放電比容量降為192. 7mAh/g，平均每次循環(huán)，僅有0.21%的容量衰減,具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。高倍率下的放電性能良好， 在0.5、1、2 和5C 倍率下， 首次放電比容量分別為174.7、163.3、132.3 和100.3mAh/g，循環(huán)性能良好。
水熱法制備的尖晶石鈦酸鋰產(chǎn)物粒徑分布均勻，且粒徑較小。Y.F. Tang等利用水熱法合成了尖晶石Li4Ti5Ol2 納米花樣結(jié)構(gòu)。在0.2C時最高容量高達167mA·h/g，100 次循環(huán)后在8C 時為152mA·h/g，表現(xiàn)出優(yōu)秀的電化學性能。
3.其它方法
熔鹽法以低溫熔融鹽為反應介質(zhì)，有效地降低了反應溫度，縮短反應時間。高利亭等人以低溫共熔鋰鹽0.38 LiOH·H2O-0.62LiNO為鋰源和熔鹽， 銳欽礦TiO2 為鈦源， 采用熔鹽輔助固相法制備納米Li4Ti5O12。經(jīng)三段式鍛燒工藝制得的Li4Ti5O12 具有優(yōu)異的電化學性能，20C首次放電比容量可達到110.6 mAh/g， 循環(huán)1000次后容量保持率為89.8%。
鈦酸鋰改性
目前主要是通過金屬離子摻雜、碳包覆、碳和金屬復合以及制備納米顆粒來提高Li4Ti5O12電極材料的電導率和電化學性能。1.金屬離子摻雜Li4Ti5O12
金屬離子摻雜一方面可降低Li4Ti5O12復合材料的嵌脫鋰電位，另一方面可提高復合材料電導率。
2.碳包覆Li4Ti5O12
碳包覆Li4Ti5O12可以提高Li4Ti5O12材料的電子電導率，從而提高材料的電化學性能。
3.Li4Ti5O12與碳或金屬復合
研究發(fā)現(xiàn)，制備Li4Ti5O12與碳或金屬復合研究發(fā)現(xiàn)，制備Li4Ti5O12與碳或金屬復合材料能有效提高Li4Ti5O12倍率性能。
4.減小Li4Ti5O12粒徑
減小Li4Ti5O12粒徑能縮短鋰離子的擴散路徑，使Li4Ti5O12的倍率性能明顯提高；然而當Li4Ti5O12顆粒過小時，由于固溶效應使放電平臺的縮短，較大反應活性面積導致不可逆容量增加，尤其當材料放電電位較低時，上述現(xiàn)象更明顯。近來，人們制備由納米級一次顆粒組成微米級二次顆粒的Li4Ti5O12，材料不但具有納米級一次顆粒優(yōu)越的倍率充放電性能，同時二次顆粒的比表面積明顯降低，不可逆容量減小，振實密度增加，這種微米級二次顆粒Li4Ti5O12具有極大的應用價值。
圖2為微米級碳包覆Li4Ti5O12制備流程圖