[发明专利]一种钛硅酸锂及其制法和作为锂电池电极材料的用途

说明书

技术领域：

本发明属于锂电池电极材料领域，具体涉及一种新型钛硅酸盐类锂电池电极材料。

技术背景：

锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在充放电过程中在正极和负极之间移动来工作，经过嵌锂-脱锂的过程完成电池的充电和放电。锂离子电池作为一种高性能的二次绿色电池已广泛应用在各种便携式电子产品和通讯工具中，由于其性能优越，锂离子电池也成为潜在的动力电池，其研究一直受到人们的关注。

锂离子电池的电极一般采用含有锂元素的材料[参见：J.-M.Tarascon，M.Armand，Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries，[J]Nature，2001，414，359-367.]。现有的锂离子电池正极材料包括层状的嵌锂过渡金属氧化物，如LiMO₂(M＝Co，Ni，Mn，V等)，三维尖晶石结构的LiM₂O₄(M＝Mn，Co，V等以及基于XO_m(X＝P，Si，S，B，V，W，Mo等，m＝3，4，5，6)单元构筑的骨架型聚阴离子化合物。现有的锂离子电池负极材料大致分为以下几类：一是传统的已经应用于商业化的碳负极材料；二是合金类负极材料，如锡基、硅基、铝基等；三是纳米金属氧化物，如Fe₂O₃，CuO，TiO₂等；四是复合氧化物金属盐，如钛酸锂等。

碳材料是现今应用最广泛的锂离子电池负极材料，它具有很好的稳定性，石墨型碳的理论电容量为372mAh/g，实际应用的碳材料的电容量在200mAh/g左右。碳材料作为锂离子电池负极具有容易制备等优点，但是存在较大的能量损失和高倍率充放电性能差等问题[参见：W.Kohs，H.J.Santner，F.Hofer，H.Schrottner，J.Doninger，I.Barsukov，H.Buqa，JH.Albering，K.-C.Moiler，J.O.Besenhard，M.Winter，A study on electrolyte interactions with graphite anodes exhibiting structures with various amounts of rhombohedral phase，[J]Journal of Power Sources，2003，119-121，528-537.]，在有机电解质中碳材料极易形成钝化膜，引起比容量的不可逆损失，并且碳电极电位与锂电位非常接近，容易导致支晶引起短路[参见：J.-M.Tarascon，M.Armand，Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries，[J]Nature，2001，414，359-367.]。合金类负极材料如锡基、硅基材料具有很高的比容量，并且密度适中，电极电势较锂稍高，可避免枝晶的产生，但是这类材料循环稳定性较差，充放电过程中体积变化很大，最终粉化导致容量下降很快[参见：C.-M.Park，J.-H.Kim，H.Kim，H.-J.Sohn，Li-alloy based anode materials for Li secondary batteries，[J]Chem.Soc.Rev.，2010，39，3115-3141]。纳米金属氧化物作为负极材料在充放电中可能与电解液反应，而且容易发生团聚，导致电池循环性能差[参见：A.S.Aricò，P.Bruce，B.Scrosati，J.-M.Tarascon，W.van Schalkwijk，Nanostructured materials for advanced energy conversion and storage devices，[J]Nature Materials，2005，4，366-377.]。复合金属氧化物如钛酸锂晶体结构稳定，充放电过程体积变化小，作为电池负极有着非常好的循环稳定性，放电平台稳定，但是不足的是钛酸盐的放电平台高达到1.55V，导致工作电压平台低，电容量小，并且对电解液要求苛刻，另外其制备较难等，导致其应用受到局限[参见：B.Scrosati，J.Garche，Lithium batteries：Status，prospects and future，[J]Journal of Power Sources 2010，195，2419-2430.]。