[发明专利]掺杂Cu的钛酸锌锂负极材料及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种电极材料及其制备方法，具体涉及一种掺杂Cu的钛酸锌锂负极材料及其制备方法。

背景技术：

锂离子电池的核心技术是可以进行可逆脱嵌锂的储锂材料。目前商业化的锂离子电池的负极材料大多采用各种嵌锂碳材料，这是由于碳电极相对于金属锂的放电平台较低，插锂容量较高。但由于插锂后碳电极的电位与金属锂的电位很接近，小于0.1V vs Li/Li⁺，当电池过充时，金属锂可能在碳电极表面析出而形成锂枝晶，从而引起短路；而且大多数的电解液在此电位下不稳定，电解质易在电极表面分解，产生可燃气体混合物，存在着安全隐患；另外，碳电极中Li⁺的插入将引起10％的体积形变，导致颗粒间的不连续，引起电极/电解质及电极/集流体界面的松散与剥落。这些因素都促使着研究者们对原有负极材料进行修饰和改性研究，并不断寻找性能优良、制备工艺简单且成本低廉的新型锂离子电池负极材料。

尖晶石Li₄Ti₅O₁₂及其相关的钛氧化物等由于具有良好的循环性能及无毒、安全等优点而成为较有前景的负极材料。但是，Li₄Ti₅O₁₂的理论容量只有石墨的一半，且嵌锂电位较高，因而开发具有良好循环性能且较高容量的负极材料仍然是该领域的研究重点；钛酸锌锂Li₂ZnTi₃O₈作为一种插入型锂离子电池负极材料，具有一系列的优点，如比容量大、循环性能好、倍率性能较高等；其中1:1的Li和Zn位于晶体结构的四面体位，1:3的Li和Ti位于八面体位，由于键长的差异，致使晶体结构产生一定的畸变，从而导致该材料的循环性能较差。因此，急需改善钛酸锌锂的材料性能，弥补存在的不足。

发明内容：

本发明的目的在于提供改性的钛酸锌锂材料及其制备方法，提高该材料在充放电过程中的晶体结构的稳定性。

掺杂Cu的钛酸锌锂负极材料，其分子式为Li₂Zn_1-xCu_xTi₃O₈，其中0<x≤0.15。

制造上述掺杂Cu的钛酸锌锂负极材料的方法之一过程如下：

步骤一：秤取钛源、锂源、锌源以及铜源，混合均匀后烘干，

步骤二：在750℃烧结5小时后自然冷却至室温，研磨；

所述钛源为H₂Ti₃O₇纳米棒前躯体，所述锂源为碳酸锂，所述锌源为乙酸锌，所述铜源为乙酸铜。

制造上述掺杂Cu的钛酸锌锂负极材料的方法之二过程如下：

步骤一：称取1质量份的H₂Ti₃O₇纳米棒前躯体、0.287质量份的Li₂CO₃，加入无水乙醇，混合均匀；然后称取0.852*(1-x)质量份的Zn(CH₃COO)₂·2H₂O和0.78*x质量份的Cu(CH₃COO)₂·H₂O加入上述溶液中；

步骤二：将上述溶液在70℃搅拌条件下蒸干，研磨；

步骤三：将上一步产物置于马弗炉中，以3℃/min升温至750℃，保持5小时后得到Cu掺杂钛酸锌锂产物。

本发明相对于现有技术的优点在于：

（一）掺杂Cu后，Cu²⁺可在四面体和八面体位以3:2的比例分布，使材料中各离子的排布发生微小的改变，提高该材料在充放电过程中的晶体结构的稳定性。

（二）煅烧温度低、时间短，设备投资少，能耗小，生产效率高。

（三）制备得到的Cu掺杂的钛酸锌锂负极材料具有大容量的特点。

（四）制备得到的Cu掺杂的钛酸锌锂负极材料具有优异的循环性能。

（五）材料制备可以在空气或者惰性气氛中进行，优选为在空气中进行，可以降低制备成本。

附图说明：

图1为实施例1-3及对比例制备产物的X-射线衍射（XRD）图谱，图中，横坐标代表强度，纵坐标代表强度。

图2为实施例2制备产物的扫描电子显微镜（SEM）图像；