[发明专利]一种钛酸锂/亚氧化钛负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，特别涉及一种钛酸锂/亚氧化钛负极材料及其制备方法。

背景技术

随着锂离子电池广泛应用于纯电动汽车，混合动力汽车及其他便携电子设备，对锂离子电池的高功率，高能量密度提出了更高的要求。其中电池的安全性能及负极材料的电化学性能被广泛关注。尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂是一种“零应变”插入材料，它以优良的循环性能及其稳定的结构而成为替代碳负极的新材料。

对于锂离子电池的实际应用，尤其在动力电池这一全球瞩目的领域，锂离子电池的高倍率工作特性是决定其能否获得商品化应用的关键因素之一。而Li₄Ti₅O₁₂材料应用的主要瓶颈是导电性能差(固有电导率10^-9S/cm)，因此，在高倍率环境下工作时，Li₄Ti₅O₁₂比容量衰减迅速。因此，要使Li₄Ti₅O₁₂广泛应用于动力型锂离子电池，在保证其高可逆容量及循环稳定性的同时，须提高Li₄Ti₅O₁₂负极材料的导电性，从而提高其倍率性能。

目前认为能够改善Li₄Ti₅O₁₂倍率性能的方法主要有三种：(1)多孔高比表面Li₄Ti₅O₁₂，主要采用多孔碳模板法制备。(2)掺杂改性，其中包括阳离子掺杂、阴离子掺杂、金属单质掺杂。阳离子掺杂主要是Mg、V等离子的掺杂可提高产物的电导率；阴离子掺杂主要是通过掺入阴离子，让其占据Li₄Ti₅O₁₂中氧的位置，目前有F，Br离子掺杂；金属单质掺杂，掺杂高导电相物质，可以不进入到Li₄Ti₅O₁₂尖晶石结构中，而是作为第二相引入。通过增强基体的导电网络，同样可以提高其导电性，如在Li₄Ti₅O₁₂基体中引入Ag和Cu，可以使基体导电率提高两个数量级，但是Ag的价格较为昂贵，Cu为磁性物质，加剧电池的自放电现象。(3)包覆改性，主要是碳包覆，主要是在晶粒外包覆碳导电剂，提高晶粒间的导电性，但碳材料在锂离子嵌入时，其结构容易发生变化，导致其在大电流放电时，循环性较差。并且在高电流密度下易被电解液腐蚀。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提供一种原材料丰富、高倍率性能、制作工艺简单的钛酸锂/亚氧化钛负极材料。创新之处在于复合负极材料的设计及制备方法。目前未见合成钛酸锂/亚氧化钛负极材料的报道。

本发明提供的钛酸锂/亚氧化钛负极材料的化学式为(1-0.8x)Li₄Ti₅O₁₂-xTi₄O₇，其中0.03＜x≤0.30。

本发明还提供钛酸锂/亚氧化钛负极材料的制备方法，钛酸锂/亚氧化钛负极材料可采用两种方法合成，第一种方法采用将钛酸锂真空碳化，通过控制温度、反应时间及压力使得在钛酸锂表面形成一层致密的亚氧化钛高导电膜，使其具有更高倍率性能，第二种方法采用在钛酸锂中直接加入Ti₄O₇，在惰性气氛下高温固相合成，制作工艺简单，利于工业化生产。

本发明的第一种制备方法：将钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)及碳源加入到分散剂中，球磨分散，将样品至于真空碳管炉内，在真空条件下加热至合成温度，具体实施步骤如下：

(1)将钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)及碳源加入到分散剂中，采用球磨机球磨，混合均匀，可球磨2～6h；

(2)将步骤(1)均匀混合的混合物在80～120℃条件下干燥至少12h，得到混合料；

(3)将步骤(2)的产物球磨，得到细粉；