[发明专利]一种锂离子负极材料钛酸锂的模板合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，尤其是使用模板法来制备钛酸锂负极材料，属于电化学材料制备和新能源领域。

背景技术

随着国际石油天然气价格的逐步攀升，能源问题已经是世界各国密切关心的关系到国计民生的重大问题。随着人类社会经济和科技的不断发展，石油天然气等不可再生能源的日益减少已经成为制约人类社会经济发展、维持人类社会生存的重要阻碍，因此发展新能源已经成为世界各国的共识。

对于新能源材料的开发和研究一直是能源研究领域的热点。近年来，电子及信息产业发展迅猛，电子产品功能日新月异，对电源的性能要求越来越高，而伴随着电动汽车等新能源汽车产业的发展，高性能大容量的二次电池开发迫在眉睫。

锂离子电池是在金属锂二次电池基础上发展而来的新一代二次电池，正在逐渐取代镍镉电池和金属氢化物镍电池，具有工作电压高、重量轻、比能量大、自放电小、循环寿命长、无记忆效应、无环境污染等突出的优点，是摄像机、移动电话、笔记本电脑以及便携式测量仪器等电子装置小型轻量化理想电源，也是未来电动汽车用轻型高能动力电源的首选电源。电极材料是研制锂离子电池的基础，开发新一代高能正负极材料是当前的重要工作。

目前锂离子电池的负极材料大多采用各种嵌锂碳材料，但是碳电极的电位与金属锂的电位很接近，当电池过充电时，碳电极表面易析出金属锂，会形成枝晶而引起短路；温度过高时易引起热失控等。同时锂离子在反复地插入和脱嵌过程中，会使碳材料结构受到破坏，从而导致容量的衰减。因此，寻找能在碳负极电位稍正的电位下嵌入锂，廉价易得、安全可靠和高比容量的新的负极材料是很有意义的课题。钛氧基类化合物也是现在研究得比较多的一类负极材料，包括TiO₂、LiTi₂O₄、Li₄Ti₅O₁₂、Li₂Ti₃O₇、K_xTi₈O₁₆、以及它们的掺杂改性材料。

尖晶石钛酸锂作为锂离子电池负极材料，相对锂电极的电位为1.55 V(vs Li/Li⁺)，理论容量为175 mAh/g，实际比容量达到了150-160 mAh/g。Li⁺插入和脱嵌对材料结构几乎没有影响，具有库仑效率高、循环性能优良、放电电压平稳、嵌锂电位高而不易引起金属锂析出，能够在大多数液体电解质的稳定电压区间使用，具有很好的安全性；也是一种“零应变”材料，且材料来源广、清洁环保，具备了下一代锂离子电池必需的充电次数更多、充电过程更快、更安全的特性。此外，它还具有明显的充放电平台，平台容量可达放电容量的90％以上，充放电结束时有明显的电压突变等特性，

但是高电位带来电池的电压低、导电性差(固有电导率为10^-9 S/cm)，大电流放电易产生较大极化等问题而限制了它的商品化应用，因而如何提高材料在高倍率充放电时的放电比容量成为许多研究学者主要集中的研究重点。目前，提高钛酸锂的倍率性能主要有两种途径，一是制备纳米级的钛酸锂颗粒；二是对其进行掺杂、碳包覆改性等。

目前，工业上制备钛酸锂主要采用高温固相法，是以TiO₂与Li₂CO₃或LiOH等原料在800-1000℃下合成，反应时间一般12-24h，该方法具有工艺简单，易于大规模生产，但缺点是产物的粒径不易控制，且大多为微米级，均匀性较差，与微细晶体相比，粗晶粒的锂离子嵌入反应路径较长，不利于大电流充放电，高倍率性能差。

关于制备纳米级钛酸锂材料的方法很多，但是目前尚未发现利用P123作为模板制备纳米级钛酸锂材料的研究。

发明内容

本发明旨在提供一种锂离子负极材料钛酸锂的模板合成方法，该法通过控制锂钛比及烧结条件来实现纳米钛酸锂材料的制备，提高倍率性能和循环性能。所得材料纯度高、颗粒小且分布均匀、充放电比容量高、充电效率高、循环性能好、安全性好等特性，且该制备工艺简单、成本低、制备过程易于控制。

为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：

锂离子负极材料钛酸锂的模板合成方法，其特征在于包括以下步骤：

    （1）制备纳米级TiO₂：