[发明专利]高倍率性能电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学能源领域，尤其是一种高倍率性能电池负极材料钛酸锂/ 碳纳米复合物及其制备方法。

背景技术

现代文明的发展和世界人口的不断增加，使全世界对能源的需求与日俱增。 而随着煤炭、石油等传统一次能源供应的日益短缺，以及燃料能源引发的全球 变暖和生态环境恶化等问题不断加剧，使能源问题受到越来越多的关注。探索 清洁可再生的新能源已经成为当今科学世界的重要任务之一，成为关系着人类 未来生存状况的重大课题。而其中超级电容和锂离子电池以各自优异的性能， 得到人们广泛的关注。自问世以来，在诸多领域如电子，通讯，汽车等行业得 到广泛的应用。

尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12)由于其具有优良的安全性能和独特的结构稳 定性(“零应变”材料)，可以克服传统碳材料的一些缺点，成为近年来研究 的重点。从结构的角度看，Li4Ti5O12是理想的嵌入型电极，它在充放电过程中 由于锂离子的嵌入和脱出所造成的晶体结构和体积变化可以忽略，晶体结构能 容纳大量的锂。通过限制充放电的深度，可以维持电极结构的完整性，并能获 得较大的循环寿命。所以，尖晶石型Li4Ti5O12是极具应用前景的储能材料。

但由于Li4Ti5O12的电导率极低(＜10-13S/cm)，这在一定程度上限制了 该材料大倍率表现。同时也限制了该材料在高功率型锂离子电池和混合超级电 容中的应用。因而如何提高材料在大倍率充放电时的放电比容量是许多研究人 员一直努力攻克的难题。目前提高Li4Ti5O12的倍率性能主要有两个途径：一 是制备纳米颗粒的Li4Ti5O12；二是导电金属掺杂，碳包覆等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种纳米级Li4Ti5O12/C复合物，当该 复合物用于超级电容和锂离子电池负极材料时，能够获得优异的高倍率性能和 循环性能，并且同时提供一种制备工艺简单，生产重现性好，材料电化学性能 优异的该复合物的制备方法，以导电碳黑为反应前躯体，采用溶胶凝胶法合成 Li₄Ti₅O₁₂/C纳米复合物。

本发明所采用的技术方案为：一种高倍率性能电池负极材料，用以制成高 倍率性能电池的负极片，所述的该负极材料为由钛酸锂和碳组成的复合物，所 述的复合物为颗粒状，其颗粒尺寸为100nm～500nm，所述的该复合物中碳的质 量为复合物总质量的3％～20％。

本发明还提供了一种高倍率性能电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)以钛酸四丁酯为钛源，锂源选自氢氧化锂、碳酸锂、氯化锂、硝酸锂、 醋酸锂中的一种或两种以上的组合，先按锂、钛的摩尔比为4～4.5∶5进行配料， 再用分散剂分别将钛源和锂源溶解均匀，之后将两者溶液混合均匀，并缓慢加 入蒸馏水和冰乙酸进行搅拌，最后在上述的混合溶液中加入碳源，继续搅拌形 成凝胶；

(2)将步骤(1)所形成的凝胶陈化10～20小时后放入干燥箱中，并在85 ℃环境温度下干燥10小时，干燥好之后用球磨机球磨3小时，然后将球磨好的 固体粉末放置于管式炉中在惰性气氛中煅烧，煅烧温度为850℃～900℃，煅烧时 间为1～8小时，然后自然冷却至室温，得到钛酸锂/碳复合物。

本发明所述的复合物颗粒尺寸在100nm～500nm范围内，该复合物中碳为无 定型碳，所述的复合物中的碳的颗粒尺寸为150nm～400nm，所述的碳源采用导 电碳黑、乙炔黑或其他导电能力优越的材料中的一种或几种的组合，从而提高 导电性。

本发明所述的该复合物中碳的质量为复合物总质量的3％～20％，兼顾导电 性和容量的考虑，优选为5％～15％，更优选为5％～10％，这是因为若碳含量过低， 无法从根本上提高材料的导电性能，碳含量过高，就会降低整个复合材料的容 量。

本发明所述的分散剂选用无水乙醇或丙酮。

本发明的有益效果是：1、材料制备过程简单，容易扩大生产规模；2、当 该复合物作为超级电容和锂离子电池负极时表现出优异的大倍率性能和循环性 能，因此该复合物在高功率型锂离子电池和混合超级电容中具有广泛的应用前 景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例1的放电倍率和放电容量保持率的关系图；