[发明专利]一种制备碳氮共包覆钛酸锂负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池制造技术领域，特别是一种制备碳氮共包覆钛酸锂负极材料的制备方法。

背景技术

随着人口的日益增加、不可再生能源（石油、煤炭、天然气等）的逐渐减少，以及人们环保意识的日益增强，迫使人们开发高效、环保、节能型的能源新材料。另外，国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）将高效能源材料技术列为重点发展的前沿技术之一，其中特别强调了高效二次电池材料及关键技术。而锂离子电池作为一种新一代高性能的绿色电源，与其它电池相比，具有比能量高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应和对环境污染小等优点，迅速成为市场的主流电池产品。目前，商品化的锂离子电池已在便携式电器（如手机、笔记本电脑、数码相机、移动DVD、摄像机、MP3等）中得到普遍应用，并已逐步成功的应用在汽车、人造卫星、航空、航天等新的领域，展示了广阔的应用前景和潜在的经济效益，迅速成为近年来电池领域广为关注的研究热点。

对锂离子电池而言，主要构成部分包括电解液、隔离膜、正负极材料等。目前，商品化的锂离子蓄电池负极材料主要是碳，但是碳负极的电位与锂的电位很接近，电池过充时，金属锂可能在碳电极表面析出而引发安全问题；释放能量的速度不够快，不适合需要瞬间强电流的设备等。尖晶石型钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）作为一种新型的锂离子电池负极材料具有明显的优势：零应变，循环性能优异；较高的氧化还原电位（1.5VvsLi），不与常用电解液发生反应，安全性好；环境友好，容易制备，成本低等。但Li₄Ti₅O₁₂的电导率低（10^-9S cm^-1），导致其高倍率性能差，这极大制约了其推广与应用，尤其在动力电池这一全球瞩目的领域，材料的高倍率工作特性是决定其能否大规模商业化应用的关键因素之一，因此提高Li₄Ti₅O₁₂的高倍率性能成为目前研究者们关注的核心课题之一。

近年来，氮掺杂纳米碳材料研究已经成为国际碳材料领域的热点之一，因为氮原子比碳原子多一个价电子，氮掺杂进入石墨的六元环结构后可形成吡啶、吡咯、石墨氮、吡啶氧化物等含氮官能团，不仅可以提高纳米碳材料的表面化学活性，还可对其电子结构进行调节。研究发现，杂原子（N)的引入，碳包覆膜的电子电导率得到了提高。此外，研究发现碳源的结构对碳包覆膜性能有着极大的影响，石墨化程度越高，碳包覆膜的导电性越好。因此，碳源的选择非常关键，它将决定其碳化温度、碳的结构和形貌及包覆效果等。由此可见，选择合适的碳氮源对Li₄Ti₅O₁₂原位碳-氮共包覆，可能会较明显的改善其导电性。因此，我们提出以含芳香结构的三聚氰胺甲醛树脂为碳源制备碳氮包覆钛酸锂负极材料。

发明内容

为了改善Li₄Ti₅O₁₂电子导电性差等问题，本发明提出了一种制备碳氮共包覆钛酸锂负极材料的制备方法，以提高其高倍率条件下的比容量。

本发明的技术方案：

1）球磨混合：称量化学计量比的碳酸锂和二氧化钛与三聚氰胺甲醛树脂加入250ml氧化锆球磨罐中；加入35ml丙酮和直径为3mm的氧化锆小珠；在500转/分钟下球磨混合6h得到浆料。

2）干燥：将步骤1）所述浆料于100℃下真空干燥得到钛酸锂/碳氮复合前驱体。

3）高温裂解：将步骤2）所述钛酸锂/碳氮复合前驱体在氩气气氛中热处理至反应完成，得目标产物碳氮共包覆钛酸锂负极材料；其中，所述热处理是在750℃下焙烧8h。

本发明的有益效果是：

在制备钛酸锂的前驱体过程中加入三聚氰胺甲醛树脂，在热处理过程中得到导电性较高的包覆层，提高了Li₄Ti₅O₁₂的电子导电性；另外三聚氰胺甲醛树脂在热处理过程中分解得到的碳氮抑制了Li₄Ti₅O₁₂颗粒的长大，缩短了Li⁺的迁移路径，提高了锂离子的导电性，从而达到获得具有高倍率性能的该复合材料的目的。