[发明专利]一种亚微米级尖晶石钛酸锂及其制备方法与应用

说明书

技术领域

本发明属于电池材料，尤其涉及一种亚微米级尖晶石钛酸锂及其制备方法与应用。

背景技术

与传统二次电池（如铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉电池等）相比，锂离子二次电池具有比能量高、工作电压高、循环寿命长、自放电小、无记忆效应以及安全无污染等优点，被称为“绿色二次电池”。锂离子电池得到了飞速地发展，已被广泛的应用于数码照相机、笔记本电脑、移动电话等便携式电子产品。应用于电动汽车、混合电动汽车以及电力储能设备等大型用电设备，在成本、安全性能、能量密度等方面对锂离子电池提出了更高的要求。然而，目前商用锂离子电池广泛使用的碳基负极材料，存在许多不足之处：（1）碳基负极的嵌锂电位与金属锂的电极电位非常接近，过充时在电极表面可能会析出锂枝晶，造成电池短路，导致安全问题；（2）大多数电解液在此电位下不稳定，易在电极表面分解，产生可燃气体混合物，存在着安全隐患；（3）存在明显的电压滞后现象。因而，寻找廉价易得、性能优良的碳负极替代材料成为锂离子电池的研究热点。在各种替代材料中，尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂由于其独特的性能而引起广泛的关注：一方面，Li₄Ti₅O₁₂具有较高的嵌锂电位（1.55Vvs.Li/Li⁺），可以避免有机电解质在电极表面被还原以及SEI膜的形成，同时可以阻止锂枝晶的生成，具有较高的安全性能。另一方面，Li₄Ti₅O₁₂是一种“零应变”嵌入材料，锂离子的嵌入和脱出几乎不影响材料的晶体结构，具有优良的循环稳定性。

目前，尖晶石钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）的制备大多采用传统的高温固相法，该法具有工艺简单，易于实现工业化生产等优点，但是也存在合成温度高、烧结时间长、生产效率低，原料混合程度有限，化学成分难以控制，产物颗粒分布不均匀，形貌不规则，一致性、重现性较差等缺点。因此以高温固相法合成的材料在电化学性能以及反应的可控性都不甚理想。尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂的电子导电率（约为10^-9Scm^-1）和锂离子扩散系数较低，高倍率性能较差，制约了其大规模应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种亚微米级尖晶石钛酸锂，旨在解决现有材料合成方法效率低、化学成分和形貌难以控制等，并且制得的尖晶石钛酸锂材料的电子导电率和锂离子扩散系数较低，高倍率性能较差等问题。

本发明的另一目的在于提供上述亚微米级尖晶石钛酸锂的制备方法，该方法能使得原料在分子水平上的均匀混合，反应过程时间短、温度低，化学反应度高，可精确控制化学计量比，制备的亚微米级尖晶石钛酸锂材料具有产品均一性好、粒径小且分布均匀、结构稳定等优点，成功解决了钛酸锂材料电导率和离子扩散系数低而导致其电化学性能不佳等问题。

本发明的再一目的在于提供上述亚微米级尖晶石钛酸锂的应用。

本发明是这样实现的，一种亚微米级尖晶石钛酸锂，通过以下按质量份计的各组分为原料制备而成：

优选地，上述亚微米级尖晶石钛酸锂，通过以下按质量份计的各组分为原料制备而成：

本发明进一步提供了上述亚微米级尖晶石钛酸锂的制备方法，包括以下步骤：

（1）将35～60质量份钛酸丁酯、5～10质量份醋酸锂，分别溶解于30～60质量份无水乙醇中；在磁力搅拌下，将溶液混合均匀形成黄色透明溶液；

（2）将30～45质量份己二酸溶于40～50质量份乙醇和5～30质量份水的混合溶液中，将所述混合溶液在1200～2000rpm磁力搅拌下缓慢滴加到所述黄色透明溶液中，形成白色粘性溶液；

（3）将所述白色粘性溶液升温至80℃并不断搅拌，直到形成白色凝胶；

（4）将所述白色凝胶置于空气中100℃下干燥24h，形成干凝胶前驱体；

（5）将所述干凝胶前驱体研磨后，在300～500℃温度下预烧3～5h，然后在空气中700～900℃温度下热处理6～12h，得到亚微米级尖晶石钛酸锂。

优选地，在步骤（2）中，所述混合溶液的制备还包括：将30～40质量份己二酸和1～5质量份偏钒酸铵溶于40～50质量份乙醇和5～29质量份水中得到。