[发明专利]稀土氧化物包覆钛酸锂负极材料和其制备方法及锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池用电极材料，特别涉及一种稀土氧化物包覆钛酸锂负极材料及其制备方法，以及应用该稀土氧化物包覆钛酸锂无机材料的锂离子电池。

背景技术

作为新能源之一的锂离子电池由于具有能量密度高和使用寿命长等优点被广泛地应用在电子产品、电动车以及植入式医疗器械中。随着锂离子电池应用范围的扩大，对电池材料的安全性、使用寿命和倍率性能提出了更高的要求。目前传统商用锂离子电池负极材料大多为石墨材料，但在首次循环时，石墨表面SEI膜的形成造成不可逆容量的损失，同时，锂离子在嵌入过程中容易生成锂枝晶，造成电池短路，带来安全问题。

采用尖晶石钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂ 制作的钛酸锂电池的理论容量为175mAh/g，由于在充放电过程中Li₄Ti₅O₁₂骨架结构几乎不发生变化而被称为“零应变”材料。钛酸锂电池具有嵌锂电位高(1. 55 V vs Li/Li⁺)，充放电平台稳定的优点，从而避免了SEI膜的生成和Li枝晶的析出，有效提高锂离子电池的安全性。因此，Li₄Ti₅O₁₂极有可能成为新一代锂离子电池负极材料之一。

然而Li₄Ti₅O₁₂材料作为一种绝缘体，其自身较低的电子电导率（10-9 S/cm）限制了其广泛应用。此外，以钛酸锂为负极的锂离子电池普遍存在胀气问题，也影响了钛酸锂电池的应用。

发明内容

基于此，有必要提供一种具有良好的导电性、有效解决胀气问题的稀土氧化物包覆钛酸锂负极材料。

一种稀土氧化物包覆钛酸锂负极材料，其是由钛酸锂以及稀土氧化物制备而成，稀土氧化物均匀地包覆在钛酸锂表面。

优选的，所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钐、氧化铕、氧化钆中的至少一种。

此外，还有必要提供一种稀土氧化物包覆钛酸锂负极材料的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

1）将钛酸锂纳米颗粒与表面活性剂分散在水溶液中，再加入硝酸稀土化合物，充分搅拌后得到溶胶，干燥后得到凝胶，其中稀土元素与钛酸锂的摩尔比为0.01:1至0.08：1；

2）将所述凝胶置于高温炉中在空气气氛下煅烧，得到表面包裹有稀土氧化物的钛酸锂负极材料。

优选的，所述表面活性剂为为十二烷基硫酸钠、十六烷基硫酸钠和十八烷基硫酸钠中的一种。所述硝酸稀土化合物为硝酸镧、硝酸铈、硝酸镨、硝酸钕、硝酸钐、硝酸铕、硝酸钆中的一种或多种。步骤2)中，高温炉煅烧温度为700-800°C，煅烧时间为1-2小时，高温炉的升温幅度为2-10°C/min。

此外，还有必要提供一种采用稀土氧化物包覆钛酸锂负极材料的锂离子电池，其正极活性材料为锰酸锂、磷酸铁锂和镍钴锰酸锂三元材料中的一种，粘结剂为聚偏氟乙烯，添加有导电剂；正极活性物质、粘结剂、导电剂的重量百分比为80-90％∶ 5-10％∶ 5-10％ 。

优选的，稀土氧化物包覆的钛酸锂、粘结剂和导电剂的重量百分比为85-95％∶ 3-10％∶ 1-5％。电解液采用1mol/L 的锂盐的有机混合溶液，锂盐采用六氟磷酸锂，有机溶剂为碳酸乙烯酯，碳酸丙烯酯，碳酸甲乙酯配制而成，碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸甲乙酯的体积比为1 ∶ 1 ∶ 1。

利用本发明的稀土氧化物包覆钛酸锂负极材料的制备方法可制备出粒径分布均匀的稀土氧化物包覆的钛酸锂电极材料，抑制了钛酸锂负极与电解液反应，从而阻止电解液有机溶剂分解，有效解决了钛酸锂的胀气问题。此外，合成纳米尺寸的稀土氧化物包覆钛酸锂负极材料可增大电极与电解液的接触面积，使得在高倍率条件下有利于锂离子快速的嵌入和嵌出，可使钛酸锂电极的循环性和倍率性得到明显的提高。因此该电极材料具有良好的导电性、较高的充放比容量以及优越的循环性能。

附图说明

图1为实施例1制备产物的TEM图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的稀土氧化物包覆钛酸锂负极材料及其制备方法进行说明。本发明的稀土氧化物包覆钛酸锂负极材料的制备方法主要包括以下步骤：

1）将钛酸锂纳米颗粒与表面活性剂分散在水溶液中，再加入硝酸稀土化合物，充分搅拌后得到溶胶，干燥（例如可在烘箱中进行干燥）后得到凝胶，其中稀土元素与钛酸锂的摩尔比为0.01:1至0.08：1；