[发明专利]碳包覆钛酸锂/碳纳米管复合物的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料领域；具体涉及碳包覆钛酸锂/碳纳米管复合物的制备方法。

背景技术

现已商品化的锂离子电池负极材料主要采用碳材料，虽然采用碳材料的锂离子电池具备可观的比容量，但是由于碳负极材料在嵌锂后与锂片的放电平台极为接近，如果过充的话会在负极上析出锂金属枝晶，容易戳破隔膜导致电池短路，具有极大的潜在安全问题。也导致了碳负极材料在循环性能上的不乐观。所以，寻求一种具有较高安全性能同时循环性能又好的负极材料是锂离子二次电池的一个发展方向。

Li₄Ti₅O₁₂本身不导电，在空气中是稳定的白色粉末，存放方便。Li₄Ti₅O₁₂属于尖晶石结构，其空间群是Fd3m，以一个Li₄Ti₅O₁₂晶胞为例，小部分的Li⁺占据晶胞中的8a四面体的间隙中，大部分Li⁺和所有的Ti⁴⁺则占据在16d的八面体间隙中，而所有的O^2-则在32e的位置构成FCC点阵，当有Li⁺嵌入时，嵌入的Li⁺就会和8a位置的Li⁺一起迁移至16c形成Li₇Ti₅O₁₂，在嵌锂过程中所形成的浅蓝色的Li₇Ti₅O₁₂是导电的，而且也是尖晶石结构，所以他的晶胞参数a基本不变，不会产生材料的体积效应而导致整个结构变化影响到电池的循环性能。

尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂具有稳定的放电平台，而锂离子的嵌入和脱出中不会对本身的结构产生较大的影响，正因为其本身的这个特点所以被称之为“零应变材料”，他的这种特性就导致了所制备出的锂离子电池具有非常良好的循环性能。另外，由于电解液中的有机溶剂和相对电位（相对于金属锂）低于0.8V的负极材料接触时会被还原形成SEI膜，而Li₄Ti₅O₁₂的相对电位为1.55V左右，所以Li₄Ti₅O₁₂在首次充放电的过程中不会在表面形成SEI膜。而同为负极材料的碳负极（石墨的相对电位为0.15V）由于他在首次充放电的过程中与电解液的接触形成了SEI膜，因此就造成了不可逆容量的增大，也就降低了碳负极的放电比容量。鉴于Li₄Ti₅O₁₂具有其他负极材料无法比拟的优越性能，所以将Li₄Ti₅O₁₂应用于商品电池中，实现其产业化具有非常大的商业前景和巨大的商业潜力。

现行Li₄Ti₅O₁₂的合成主要有高温固相法，溶胶—凝胶法，喷雾干燥，熔盐法等等，现在应用的比较多的是高温固相法和溶胶—凝胶法。其中高温固相法简单较易得到Li₄Ti₅O₁₂，但是如果应用在工业依然存在一些问题，譬如：烧结的温度要求过高，基本集中在800~1000℃之间，而且烧结之后的产物纯度不高，由于其颗粒的不均匀性，导致其振实密度偏低的问题；而溶胶—凝胶法虽然能得到纯度较高的Li₄Ti₅O₁₂产物，但是其工艺较为复杂，不适合大规模的工业生产。

专利CN201010149910.8直接将可溶性锂盐溶液于超声分散后的碳纳米管与锐钛矿二氧化钛混合烘干烧结既得到钛酸锂，由于其碳纳米管量的控制不好把握，导致这种方法所制备的钛酸锂/碳纳米管网状结构存在钛酸锂颗粒之间的碳纳米管分布杂乱无章，无法起到良好的连接架桥作用。

发明内容

本发明要解决现有Li₄Ti₅O₁₂比容量和循环性能差的技术问题；而提供了碳包覆钛酸锂/碳纳米管复合物的制备方法。