[发明专利]一种钛酸锂电极材料的合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛酸锂材料的合成方法，尤其是一种钛酸锂电极材料的制备方法。

背景技术

新能源、新材料、电动汽车的规模化开发和应用，对储能器件提出了更高的要求，特别是对储能和动力电池的安全性、使用寿命和快速充电性能的要求。锂离子电池较其它电池如镍氢电池、铅酸电池具有工作电压高、比能量大、循环寿命长、自放电小、无记忆效应、无污染等优点，其独特的性能优势必然使其成为未来电动汽车和储能电站的主要动力源。

锂离子动力电池应用于电动汽车的主要障碍是电池的安全性和快速充电问题得不到解决，而制约上述性能的关键因素是电池材料。目前所研究的锂离子动力电池通常以磷酸铁锂、镍钴锰锂、尖晶石锰酸锂为正极材料，碳为负极材料，尽管上述三种正极材料其本身的安全性较好，但是电池在滥用状态下电解液会与嵌锂碳负极发生剧烈的化学反应，放出大量的热，从而引起电池爆炸失控。因此以碳为负极的大容量高功率锂离子动力电池的安全性问题一直得不到有效解决，制约着其产业化的发展。另外，以碳为负极的锂离子电池，由于受锂离子在碳电极内部扩散限制，其快速充电性能较差，若电池快速充电，部分锂离子来不及扩散到电极内部，将沉积于电极表面，形成锂枝晶，引起电池不可逆容量和安全性问题，因此以碳为负极的锂离子电池不能满足电动汽车快速充电的需求。所以如何解决锂离子动力电池的快速充电问题和安全性问题已经成为困扰动力电池产业化发展的根本性问题，也是阻碍电动汽车产业化的关键问题。

解决锂离子动力电池安全性问题的关键是用更安全、与电解液热反应活性更小的负极材料替代碳负极材料。具有尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)是一种“零应变”材料，理论嵌锂电位为1.55V(vs. Li⁺/Li)，理论比容量为175mAh/g，充放电过程中体积结构几乎不发生变化，具有安全性高、充放电性能好、循环性能优良、充放电电压平台稳定等优点。同时钛资源丰富、价格低廉。这些优点使其成为极具发展前景的锂离子动力电池电极材料，有着巨大的研究价值和商业应用价值。然而，Li₄Ti₅O₁₂材料的本征电子导电能力(电导率10^-13S/cm)和离子导电能力(锂离子扩散系数约为2×10^-8cm²/s)不高，因此Li₄Ti₅O₁₂在大电流充放电时容量衰减快、倍率性能较差，制约了其作为高倍率负极材料在锂离子动力电池中的应用。

目前主要通过下面四种途径改善钛酸锂的功率充放电性能：制备纳米粒径Li₄Ti₅O₁₂；制备多孔结构Li₄Ti₅O₁₂；金属离子掺杂Li₄Ti₅O₁₂；Li₄Ti₅O₁₂与碳或金属复合。纳米粒子和多孔结构Li₄Ti₅O₁₂有助于缩短锂离子扩散通道，增加电解液与电极材料的接触面积，从而提高材料的倍率充放电性能；与金属离子掺杂或与碳材料和金属粉末复合能够明显提高复合材料的电子电导率，也有助于提高材料的倍率充放电性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛酸锂材料的合成方法，该合成方法能够合成颗粒细小、倍率性能好的钛酸锂电极材料，以解决现有钛酸锂电极材料在大电流充放电时倍率性能较差的技术问题。

本发明钛酸锂电极材料的合成方法，包括以下步骤：

⑴在搅拌状态下用去离子水配置浓度为3～13g/L的表面活性剂溶液A，用去离子水配置浓度为1～15 g/L的锂化合物溶液B；

⑵在搅拌状态下将钛化合物逐渐加入溶液A中，制得溶液C，再将溶液C与溶液B混合，搅拌3～8h，得到溶液D；

⑶将所述溶液D放入水热反应罐中，在120～260℃下搁置6～72h，然后将得到的产物烘干，得到混合物E；

⑷将所述混合物E在400～800℃处理3～8h，制得粒径为10～2000 nm的钛酸锂电极材料。