[发明专利]一种锂离子电池多层包覆钛酸锂负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域技术，尤其是指一种锂离子电池多层包覆钛酸锂负极材料。

背景技术

目前，商业化的锂离子电池的负极材料主要使用石墨材料，以石墨等碳材料为负极的锂离子电池，受锂离子在碳电极内部扩散制约，其快速充电性能较差，若电池快速充电，部分锂离子来不及扩散到电极内部，将沉积于电极表面，形成锂枝晶，会引起电池短路，因此以碳为负极的锂离子电池不能满足储能系统快速充电的需求。另外，以石墨等碳材料为负极材料的锂离子电池由于在电池充放电过程中体积膨胀较大，由于碳电极膨胀收缩，容易脱落和破裂，使得电池寿命较短；碳电极表面沉积锂也会引起电池不可逆容量，影响电池的循环寿命；因此，如何提高锂离子动力电池的安全性、延长使用寿命、降低成本成为储能型锂离子动力电池规模化应用的关键。提高锂离子动力电池安全性和快速充电性能需要开发更安全、与电解液热反应活性更小、电子电导率和离子电导率更高的负极材料。

近年来，尖晶石结构钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)作为锂离子电池负极材料得到了广泛的研究和关注，研究者期望钛酸锂负极相比于碳基负极能够大幅提高锂离子电池的安全性和快速充电性能。钛酸锂理论嵌锂电位为1.55 V(vs. Li+/Li)，理论比容量为175mAh/g，晶胞体积在充放电过程中几乎不发生变化，被称为“零应变”材料。钛酸锂具有安全性高、循环性能好、充放电平台稳定等优点，作为锂离子动力电池负极材料具有良好发展和应用前景。但钛酸锂也存在一定不足，如本征电子导电能力和离子导电能力偏低，以Li₄Ti₅O₁₂为负极材料的动力电池容易胀气，这些缺点制约了钛酸锂的大规模开发和应用。因此对于储能型钛酸锂电池而言，开发出具有高振实密度、长循环寿命、低成本特性的钛酸锂负极同时解决其产气问题是所属领域的技术难题。

专利CN 102299311 B 公开了一种负极活性物质及其制备方法以及采用该负极活性物质制备的锂离子二次电池：将球状氧化物和棒状氧化物混合得混合氧化物， 将混合氧化物放入质量分数为 4％的聚偏二氟乙烯的N-甲基吡咯烷酮溶液中球磨混合1h， 然后再加入钛酸锂并球磨混合 3h 得浆料， 将浆料加热并于 170℃搅拌至干燥得钛系复合材料， 将钛系复合材料在通入Ar或者N 2 或者真空下于600℃烘烤 24-72h， 烘烤后降至室温得到负极活性物质， 所形成的负极活性物质具有包覆层致密而且均匀的特点， 可以有效的减少钛酸锂与水分的接触， 由于氧化物的粒径大小是纳米级， 能够有效的将钛酸锂包裹， 最大限度的避免了气胀现象的发生， 有利于提高锂离子二次电池的循环寿命、 储存性能和安全性。上述专利中，过程中涉及有机溶剂，不环保、成本高；所述的包覆物为金属氧化物，导电性能非常差，大大削弱了该材料的倍率性能。

发明内容

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种锂离子电池多层包覆钛酸锂负极材料及其制备方法，本发明通过使用简单高效的多层包覆法在钛酸锂表面包覆致密导电的均匀包覆层，获得多层包覆钛酸锂负极材料，该包覆层可以有效地避免钛酸锂的胀气，同时其高导电性可以大大增强钛酸锂的倍率性能。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种锂离子电池多层包覆钛酸锂负极材料，包括有内核、第一包覆层和第二包覆层；该内核为钛酸锂；该第一包覆层为氧化物，且包覆量为整个负极材料质量的1%～5%；该第二包覆层为碳材料，其包覆量为整个负极材料的1%～5%。

作为一种优选方案，所述钛酸锂的粒度为1～10μm。

作为一种优选方案，所述述氧化物为氧化铜、氧化锌、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铝、氧化硅中的至少一种。

作为一种优选方案，所述碳材料为蔗糖、沥青、树脂、离子液体中的至少一种碳化产物。

一种锂离子电池多层包覆钛酸锂负极材料的制备方法，包括有以下步骤：

（1）一次包覆：将氧化物、钛酸锂、表面活性剂、蒸馏水、水性粘结剂球磨混合得混合浆料，混合时间为 3～5h；

（2）一次高温处理：将上述混合物在80～250℃下加热干燥，得到的钛系复合材料置于气氛保护炉中进行烧结，以 2～25℃ /min 的升温速率升至400～700℃并保温 10～24小时，得到氧化物包覆钛酸锂负极材料；