[发明专利]一种流变相法制备碳包覆纳米钛酸锂的方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学电源材料制备技术领域，特别涉及一种锂离子电池负极材料碳包覆纳米钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂/C）的制备方法。在常用二次锂离子电池和动力能源电池负极材料领域具有广泛应用前景。

背景技术

当今世界，随着全球石油资源紧张，大气环境污染加剧，节能环保的混合电动汽车（HEV）和纯电动汽车（ EV）当前受到人们格外的关注与极大的发展。而电动汽车对大容量、高功率、高安全的化学电源的需求日益迫切。锂离子电池以其高能量密度、高工作电压、无记忆效应等优点，成为了电动汽车主要的动力来源之一。目前，商品化的锂离子电池负极材料主要是石墨类碳材料。虽然该类材料具有较大的比容量，但是一个主要的问题是碳电极的嵌锂电位与金属锂的电位非常接近，大电流充电过程中，极易析出锂枝晶，存在安全隐患。同时由于碳负极首次充电过程中在其表面生成SEI膜，不仅消耗大量的锂盐，造成不可逆容量损失，而且高温容易导致SEI膜破坏，损坏材料结构，造成电池性能下降，同时碳负极本身的特征无法满足锂离子电池大电流充放电的要求。

     近年来，尖晶石型钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂作为新型储能电极材料日益受到重视，这是因为尖晶石型钛酸锂在锂离子嵌入～脱出过程中晶体结构能够保持高度的稳定性，锂离子嵌入前后都为尖晶石结构，且晶格常数变化很小，所以钛酸锂被称为“零应变”电极材料。这能够避免充放电循环中由于电极材料的来回伸缩二导致结构的破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少了随循环的增加而带来比容量幅度的衰减，使钛酸锂具有优异的循环性能。与碳负极相比，钛酸锂平衡电位较高，避免了金属锂的沉积，且其平台容量超过总容量的85%，充电结束时电位迅速上升，此现象可用于指示终止充电，避免了过充电，因此钛酸锂负极的安全性比碳负极材料高；钛酸锂的化学扩散系数比碳负极材料大一个数量级，充放电速度很快。钛酸锂电极还具有大电流放电性能。同时，钛酸锂还具有抗过充性能及热稳定性能好、安全性高，寿命长等优点，在电动汽车、储能电池等领域有广阔的应用前景。

    但是常规尖晶石型钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂作为EV和HEV负极材料使用还比较困难，原因是该材料的电子导电率很低，从而导致倍率性能差。目前解决钛酸锂的倍率性能差的问题，主要有两类方法：一是提高该材料的电子导电性能；二是制备小粒径的材料。钛酸锂属于绝缘体材料，因此很容易想到通过提高电子导电性的方法来提高其倍率性能。通过提高电子导电性来提高钛酸锂的倍率性能在国内外已经有很多报道。小粒径的钛酸锂能使之倍率性能提高的原因是：小粒径的能缩短Li+的迁移路径；小粒径能增大与电解液的接触面积。为了获得小粒径的钛酸锂材料，通常采用溶胶—凝胶的方法。该方法尽管可以制备得到小粒径的钛酸锂材料，但是制备过程复杂，且成本较高。固相合成法制备钛酸锂材料，方法简便，成本低，但是通常需要采用高的煅烧温度和长的煅烧时间，结果使制备得到的钛酸锂材料颗粒大，团聚严重，这显然不利于材料的倍率性能的提高。因此，采用方法简便，且成本低的合成法制备小粒径和低团聚的钛酸锂材料仍然是目前研究的难点。

发明内容

    本发明的目的在于针对传统固相反应制备的钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂材料粒径比较大以及纯相钛酸锂材料的电子导电率差带来的材料倍率性能差等问题，提供一种能够提高材料倍率性能，具有优异的电化学性能，且工艺流程简单，易于实现规模化生产的流变相法合成碳包覆纳米钛酸锂材料的制备方法。

    为实现上述发明目的本发明采用的技术方案如下：

一种流变相法制备碳包覆纳米钛酸锂的方法，具体包括以下步骤：

1）按摩尔比Li：Ti=（0.80～0.86）：1的比例称取锂盐和二氧化钛，并加入理论产量的2%～25%的添加剂聚乙烯醇缩丁醛PVB，于混料罐中球磨6-12小时，得到混合均匀的混合原料；

2）向混合原料中加入有机溶剂，缓慢搅拌，通过调节PVB及有机溶剂的比例，将混合物调制胶状流变态；

3）将流变态胶状物再置于真空干燥烘箱中进行干燥制得前驱体，干燥温度为80～100℃，干燥时间为6-12h；