[发明专利]一种锂离子电池用改性钛酸锂材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学能源材料领域，尤其涉及一种锂离子电池用改性钛酸锂材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为电极材料电池的总称，一般采用碳材料为负极，过渡金属氧化物为正极，溶有锂盐的有机电解质溶液为电解液。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱出过程。

目前商品化的锂离子电池负极材料大多是嵌锂碳材料，由于嵌锂后碳电极的电位与金属锂的电位很接近，当电池过充时，碳电极表面易析出金属锂，它与电解液反应产生可燃气体混合物，因而给电池、特别是动力电池造成很大的安全隐患。同时，石墨电极还存在电解液的共嵌入问题，这也将影响电极的循环稳定性。因此，寻找比碳负极在稍正的电位下嵌入锂、廉价易得、安全可靠的新型负极材料是必要的。其中低电位过渡金属氧化物及复合氧化物作为锂离子电池的负极材料引起了人们的广泛注意，钛酸锂(分子式为Li₄Ti₅O₁₂)是其中广受关注的材料之一。

Li₄Ti₅O₁₂是一种由金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，属于AB2X4系列，它可以被描述成尖晶石固溶体。其空间点群为Fd3m空间群，晶胞参数a为0.836nm，为不导电的白色晶体，在空气中可以稳定存在。结构类似于反尖晶石：在一个晶胞中，32个氧负离子按立方密堆积排列，占总数3/4的锂离子Li⁺被四个氧离子紧邻作正四面体配体嵌入空隙，其余的锂离子和所有钛离子Ti⁴⁺(原子数目1∶5)被六个氧离子紧邻作正八面体配体嵌入空隙，因此其结构可以表示为Li[Li1/3Ti5/3]O4，Li₄Ti₅O₁₂稳定致密的结构可以为有限的锂离子提供进出的通道。Li₄Ti₅O₁₂固有的电子电导率为10-9S/CM。

Li4Ti5O12最大的特点就是其“零应变性”。所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，小于1％。在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少循环带来的比容量衰减，具有非常好的耐过充、过放特征。

钛酸锂材料的优点是：(1)是零应变材料，循环性能好；(2)放电电压平稳，而且电解液不致发生分解，可提高锂离子电池安全性能；(3)与碳负极材料相比，钛酸锂具有高的锂离子扩散系数(为2*10-8cm²/s)，可高倍率充放电；(4)钛酸锂的电势比纯金属锂的高，不易产生锂晶枝，为保障锂离子电池的安全提供了基础。

但是，由于钛酸锂的电阻率特别高，导致制成的锂离子电池极化现象比较严重，且由于材料比重悬殊、传统固相法烧结的一致性差，以及钛酸锂对热处理过程的敏感性，导致钛酸锂的批量生产比较困难，这些问题都限制了钛酸锂的应用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种锂离子电池用改性钛酸锂材料，由于该材料是通过熔盐法制备而成的，熔盐的氛围，限制了钛酸锂颗粒的长大，使颗粒控制在纳米级别，同时保证了烧结过程温度及环境的一致性的问题，解决了钛酸锂批量生产困难的难题。

本发明所述钛酸锂的化学式为：

Li_(4-X)Ti₅O₁₂，

式(1)

式中X＝0～1。

本发明还提供一种上述改性钛酸锂材料的制备方法，所述方法为熔盐法，包括以下步骤：

(1)称取原料

将锂源、钛源、改性金属化合物和熔盐按质量比为90-110∶90-110∶1-20∶1000-1500的比例混合；

(2)混料研磨

将步骤(1)称取的所有材料混合，并用球磨机研磨2-8小时；

(3)预处理

将步骤(2)研磨后的混料用压饼机压成饼状；

(4)热处理

在惰性气体保护下，将预处理后的混合料在700-1000℃的温度下煅烧5-10小时，然后随炉温冷却至150℃以下，得到块状物体；

(5)粉碎

将块状物体置于球磨机中研磨成直径小于10微米的粉末；

(6)清洗

用水清洗步骤(5)所得的粉末；

(7)烘干