[发明专利]一种锂电池高电导率钛酸锂负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法，具体的说，本发明涉及一种锂电池高电导率钛酸锂负极材料的制备方法，属于锂离子电池负极材料技术领域。

背景技术

锂离子电池是近十年以来发展起来的一种新型可充电电池，由于其具有高能量密度、长寿命、无记忆效应、无污染等性能特点，锂离子电池在便携式电子设备、电动交通工具、动力电源等领域已经有许多应用，并将逐渐取代传统的寿命短、对环境造成污染的铅酸电池以及镉镍电池。

现在普遍使用的锂离子电池大多采用碳材料做为负极材料，其中石墨是使用得最多的一种。但是石墨材料的锂离子扩散系数较低，难以快速充放；并且其嵌锂电位与金属锂的电位接近，电池过充时易导致金属锂析出产生锂枝晶，引起电池短路；此外，电极中锂离子的插入将引起体积变化，容易引起电极的松散与剥落。

近年来，在寻找能够安全使用并且循环稳定性良好的锂离子电池负极材料时，尖晶石钛酸锂因为各方面突出的性能成为研究的热点。在锂离子的插入和脱嵌过程中，尖晶石钛酸锂结构几乎没有改变，被称为“零应变”电极材料，多次充放电循环性能优异。钛酸锂的嵌锂电位较高，不易引起金属锂的析出，能够在大多数液体电解质的稳定电压区间中使用而避免电解液分解或生产保护膜，安全性较石墨大大提高。此外，钛酸锂放电电压平稳，库伦效率接近100%，锂离子扩散系数比普通石墨高出一个数量级，制备原料来源丰富。钛酸锂的制备方法较多，通常大体可分为固相法与液相法。其中固相法工艺简单，成本较低，便于实现工业应用。

尽管尖晶石钛酸锂用作负极材料有很多优势，目前其应用仍然受到其极低的固有电导率这一因素的制约，所以改善钛酸锂的导电性是使该材料摆脱应用瓶颈的关键。通常有三类方法来改善钛酸锂的导电性能：碳掺杂、包覆；金属元素掺杂；制备纳米钛酸锂。其中碳包覆就是使含碳添加物热分解，在钛酸锂颗粒表面分散或包覆导电性良好的碳充当导电介质。通常采用的碳源有天然石墨、乙炔黑以及含碳有机化合物等。

目前国内钛酸锂制备方法多采用固相烧结法，如下：

国家知识产权局于2008.2.6公开了一件申请号为200710059624.0，名称为“一种亚微米二次电池材料及其制备方法”的发明专利，该专利提供一种用于锂离子二次电池的亚微米电极材料及其制备方法，旨在提高锂离子二次电池循环和倍率性能。这种亚微米电极材料是采用固相法制备的。将锐钛型TiO₂和Li₂CO₃、LiNO₃、LiOH中的一种混合，添加适量有机物进行球磨混合，然后先在400-500℃下保温4-20h，再后在600-750℃下进行预焙烧5-20h，最后在800-900℃下进行二次焙烧5-20h，冷却后即得亚微米Li₄Ti₅O₁₂电极材料。该制备方法所用设备简单，工艺条件方便易行，适合规模化生产。本发明得到的亚微米Li₄Ti₅O₁₂材料粒度分布集中，具有良好的倍率性能和循环寿命，适合用作锂离子电池的电极材料。

国家知识产权局于2010.7.14公开了一件申请号为201010107707.4，名称为“一种碳改性钛酸锂的制备方法”的发明专利，该专利涉及一种碳改性钛酸锂的制备方法，属于一种锂离子电池负极材料的制备方法。本发明的步骤如下：首先将锐钛型二氧化钛、碳酸锂、包覆用有机碳源、掺杂用无机碳源混合均匀粉碎后，在氮气保护下，进行第1次煅烧，煅烧温度为550-650℃，煅烧时间为2-20小时，得到预烧产物；然后将上述预烧产物机械混合粉碎后，在氮气保护下，再进行第2次高温煅烧，煅烧温度为700-900℃，煅烧时间为2-30小时，将煅烧后所得产物机械粉碎后过200目筛得到碳改性的钛酸锂。本发明的有益效果是能够改善钛酸锂材料的循环性能和倍率性能，并且易于制备、成本低廉、环保无污染，适用于工业化生产。

上述两篇专利文件中的技术方案均采用两次烧结法，在预烧后将原料取出再次球磨，该制备方法升温，降温再升温的过程增加了生产能耗，同时过细的碳酸锂材料导致压实密度太小，压实密度小又会造成导致在后期制作电池过程中，相同规格的电池的活性材料偏少，电池容量偏小的问题。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中的制备方法能耗高，且压实密度小的问题，提供了一种锂电池高电导率钛酸锂负极材料的制备方法，本发明以固相烧结法为基础，基于降低成本、易于商业应用的原则，能够制备高电导率的钛酸锂材料。