[发明专利]钛系负极活性物质及其制备方法、钛系锂离子动力电池

权利要求书

1.一种钛系负极活性物质，钛系负极活性物质的通式为Li₄Ti₅O₁₂/M_x，其中：0＜x≤10，Li₄Ti₅O₁₂为尖晶石钛酸锂，其特征在于：所述M为掺杂物质金属单质、金属化合物、非金属单质或非金属化合物，所述掺杂物质所含元素或离子进入Li₄Ti₅O₁₂晶格点阵或与之复合；钛系负极活性物质Li₄Ti₅O₁₂/M_x的平均粒径为0.1～30μm；所述金属单质为Al、Mg、Cu、Ag、Ni、Co、Mn、Cd、Pb、Bi、Sn或Ge，金属化合物为氧化锆、氧化亚铜、氧化银，氧化钴，二氧化锰、三氧化二锰、氧化铅、氟化铝、氟化锂或氟化镁，非金属单质为硼、硅、磷或碘，非金属化合物为呋喃树脂、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、纤维素、煤沥青或石油沥青的一种以上；

所述Li₄Ti₅O₁₂/M_x基体外包覆有纳米包覆材料的包覆层，纳米包覆材料是纳米二氧化钛、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化亚铜、氧化银、氧化锡或乙炔黑，包覆层的厚度在5～50nm之间；

所述钛系负极活性物质由以下方法制备得到，包括以下步骤：一、按无机锂盐中的锂∶二氧化钛∶掺杂改性剂∶纳米包覆材料摩尔比1.9～2.1∶4.9～5.1∶大于0～10∶大于0～4.0混合制得复合钛酸锂前驱混合物；所述无机锂盐是氢氧化锂、醋酸锂、氯化锂、硫酸锂、硝酸锂、碘化锂、叔丁醇锂、苯甲酸锂、甲酸锂、氟化锂、铬酸锂、四水柠檬酸锂、四氯铝酸锂、溴化锂、四氟硼酸锂或草酸锂，掺杂改性剂为金属单质、金属化合物、非金属单质或非金属化合物，所述金属单质为Al、Mg、Cu、Ag、Ni、Co、Mn、Cd、Pb、Bi、Sn或Ge，金属化合物为氧化锆、氧化亚铜、氧化银，氧化钴，二氧化锰、三氧化二锰、氧 化铅、氟化铝、氟化锂或氟化镁，非金属单质为硼、硅、磷或碘，非金属化合物为呋喃树脂、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、纤维素、煤沥青或石油沥青的一种以上；所述纳米包覆材料是纳米二氧化钛、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化亚铜、氧化银、氧化锡或乙炔黑；

二、将混合物按质量比1～1.5∶1分散于有机溶剂中，在100～350℃条件下喷雾干燥制粒，得到分散粉体；三、将分散粉体以1～15℃/min的升温速度，在500～950℃的温度范围内热处理4～40小时，自然冷却至150℃以下得到钛系负极活性物质；

所述冷却后进行粉碎和筛分，得到粒度为0.1～30μm的钛系负极活性物质；

所述混合采用高速搅拌或球磨的方法，转速100～500r/min，研磨分散2～40小时；

所述有机溶剂是乙醇或丙酮；

所述热处理期间通入氩气或氮气。

2.一种钛系锂离子动力电池，具有正极和负极，其特征在于：所述负极为Li₄Ti₅O₁₂/M_x、导电剂和溶于N-甲基吡咯烷酮的粘结剂组成，质量比为85～95％∶3～10％∶2～10％，其中：0＜x≤10，Li₄Ti₅O₁₂为尖晶石钛酸锂，M为掺杂物质金属单质、金属化合物、非金属单质或非金属化合物，所述掺杂物质所含元素或离子进入Li₄Ti₅O₁₂晶格点阵或与之复合，平均粒径为0.1～30μm；所述金属单质为Al、Mg、Cu、Ag、Ni、Co、Mn、Cd、Pb、Bi、Sn或Ge，金属化合物为氧化锆、氧化亚铜、氧化银，氧化钴，二氧化锰、三氧化二锰、氧化铅、氟化铝、氟化锂或氟化镁，非金属单质为硼、硅、磷或碘，非金属化合物为呋喃树脂、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂、环氧树 脂、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、纤维素、煤沥青或石油沥青的一种以上；

所述Li₄Ti₅O₁₂/M_x基体外包覆有纳米包覆材料的包覆层，纳米包覆材料是纳米二氧化钛、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化亚铜、氧化银、氧化锡或乙炔黑，包覆层的厚度在5～50nm之间；

所述正极为铁系或锰系活性物质、导电剂和溶于N-甲基吡咯烷酮的粘结剂组成，质量比为85～95％∶3～10％∶2～10％；

所述铁系活性物质是LiFePO₄或Li₂FeSiO₄，锰系活性物质是LiMnPO₄、LiCo_xNi_yMn_(1-x-y)O₂，其中0≤x＜1、0≤y＜1，Li[Li_xMn_(2-x)]O₄，其中0≤x＜1/3，Li[M_xMn_(2-x)]O₄，其中0＜x＜1，M是3d过渡金属元素，Li₂MnSiO₄；

所述铁系和锰系活性物质平均粒径为0.1～30μm；

所述Li₄Ti₅O₁₂/M_x由以下方法制备得到，包括以下步骤：一、按无机锂盐中的锂∶二氧化钛∶掺杂改性剂∶纳米包覆材料摩尔比1.9～2.1∶4.9～5.1∶大于0～10∶大于0～4.0混合制得复合钛酸锂前驱混合物；所述无机锂盐是氢氧化锂、醋酸锂、氯化锂、硫酸锂、硝酸锂、碘化锂、叔丁醇锂、苯甲酸锂、甲酸锂、氟化锂、铬酸锂、四水柠檬酸锂、四氯铝酸锂、溴化锂、四氟硼酸锂或草酸锂，掺杂改性剂为金属单质、金属化合物、非金属单质或非金属化合物，所述金属单质为Al、Mg、Cu、Ag、Ni、Co、Mn、Cd、Pb、Bi、Sn或Ge，金属化合物为氧化锆、氧化亚铜、氧化银，氧化钴，二氧化锰、三氧化二锰、氧化铅、氟化铝、氟化锂或氟化镁，非金属单质为硼、硅、磷或碘，非金属化合物为呋喃树脂、脲醛树脂、密胺树脂、酚醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚四氟乙烯、聚丙烯腈、丁苯橡胶、纤维素、煤沥青或石油沥青的一种以上；所述纳米包覆材料是纳米二氧化钛、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化亚铜、氧 化银、氧化锡或乙炔黑；二、将混合物按质量比1～1.5∶1分散于有机溶剂中，在100～350℃条件下喷雾干燥制粒，得到分散粉体；三、将分散粉体以1～15℃/min的升温速度，在500～950℃的温度范围内热处理4～40小时，自然冷却至150℃以下得到钛系负极活性物质；

所述冷却后进行粉碎和筛分，得到粒度为0.1～30μm的钛系负极活性物质；

所述混合采用高速搅拌或球磨的方法，转速100～500r/min，研磨分散2～40小时；

所述有机溶剂是乙醇或丙酮；

所述热处理期间通入氩气或氮气。