[发明专利]高库仑效率的锂离子电池负极活性材料碳包覆富锂钛酸锂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料及制备方法，特别涉及负极活性材料碳包覆富锂钛酸锂及其制备方法。 

背景技术

尖晶石结构的钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂作为负极材料具有循环寿命长和安全性高的优点，因而引起了科研人员的关注和重视。Li₄Ti₅O₁₂的储锂机理为： 

完全嵌锂后，尖晶石结构的Li₄Ti₅O₁₂转变为岩盐相结构的Li₇Ti₅O₁₂，理论容量为175mAhg^-1。此相变过程动力学高度可逆，相变前后体积变化小于1％，因而Li₄Ti₅O₁₂被称为“零应变”材料，具有非常长的循环寿命。此外，Li₄Ti₅O₁₂在现有电解液中是热力学稳定的，不会形成SEI膜，安全性高。然而，Li₄Ti₅O₁₂的导电性差，其电子电导率只有10^-13Scm^-1，因此，将Li₄Ti₅O₁₂纳米化，并对其进行碳包覆或体相掺杂是提高电导率的有效手段，碳包覆的C/Li₄Ti₅O₁₂复合材料的循环寿命和倍率性能得到了很大提高。然而，C/Li₄Ti₅O₁₂材料的首次不可逆容量损失难以避免，其首次循环库仑效率随所用碳源和制备条件的改变而变化。为降低其首次循环不可逆容量损失，多年来人们一直在探索和研究将负极材料预先“锂化”的方法，利用在负极材料中预先存贮的Li+来补偿不可逆容量的损 失，进而提高首次循环库仑效率。 

文献Tabuchi T，Yasuda H，Yamachi M，Mechanism of Li-doping into Li₄Ti₅O₁₂ negative active materials for Li-ion cells by new chemical method.Journal of Power Sources，2006，162：813-817.公开了一种利用电化学方法在钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂中预储锂，从而制备得到富锂的钛酸锂的方法。在氩气保护条件下，将Li₄Ti₅O₁₂在含Li⁺的有机溶剂中进行化学浸渍可得到富锂的Li_6.77Ti₅O₁₂，其脱锂比容量超过160mAhg^-1。而文献Naoi K，Nanohybrid capacitor：the next generation electrochemical capacitors.Fuel Cells，2010，10：825-833.则在“锂离子电容器”的研究中公开了预嵌锂的方法，将Li₄Ti₅O₁₂和Li金属片组装成锂离子电池，通过电化学方法让Li₄Ti₅O₁₂嵌锂，变成富锂的钛酸锂。但这些将钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂嵌锂转变为富锂钛酸锂Li_4+xTi₅O₁₂的方法都是通过电化学手段实现，不仅整个制备需要严格在氩气保护气氛下进行，并且得到的富锂钛酸锂Li_4+xTi₅O₁₂暴露在大气中后富锂钛酸锂很快与空气中的O₂、CO₂和H₂O等反应，从而使富锂钛酸锂完全失效，即这种富锂钛酸锂没有碳层的保护，是一种中间形态，而非常态下的稳定材料。 

发明内容