[发明专利]一种掺杂型锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种掺杂型锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为广泛应用于3C设备的绿色环保化学电源，具有电压高、循环寿命长、安全性好、自放电小、可快速充放电等优点，并且随着电动汽车行业的发展，对锂离子电池的材料提出了高比能量和高功率的新要求。目前广泛应用于动力电池的碳负极材料已逐步不能满足此要求，而有望替代传统碳材料应用于动力电池的“零应变”材料-Li₄Ti₅O₁₂因较低的理论比容量（175mAh/g）限制了其应用。TiNb₂O₇作为一种新型锂离子电池负极材料，具有高比能量和高比功率的优势，其内的五电子转移方式使TiNb₂O₇材料具有387mAh/g的高理论比容量。TiNb₂O₇本征材料用紫外可见分光光度计测得的带隙约为~2.92eV，已接近绝缘体，作为电极材料，TiNb₂O₇较差的导电性限制了其长循环及大倍率充放电性能。

目前普遍采用的提高导电性的方法为包碳，一般采用如葡萄糖、蔗糖等有机碳源，在材料表面均匀包覆一层碳层以提高材料之间的导电性。但包碳对材料导电性的提升是有限的，而且会降低材料的库伦效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种掺杂型锂离子电池负极材料及其制备方法，采用固相法或液相法对TiNb₂O₇材料进行掺杂改性，通过提高金属原子的混排度以提高材料的缺陷浓度，从而改善材料的导电性。此方法适合大规模生产，工艺流程简单易行，获得的材料电化学性能优越。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种掺杂型锂离子电池负极材料，其结构式为Ti_xNb_yM_zO₇，0.5≤x≤1.5，1.5≤y≤2.5，0≤z≤0.5，且x+y+z=3，M为Al、Fe、Mg、Zn、Cu中的一种或几种。

一种上述掺杂型锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）固相法制备Ti_xNb_yM_zO₇材料：

一、将摩尔比为y/2:x:z/n(n为掺杂金属源金属元素角码)的比例将Nb₂O₅和TiO₂以及掺杂金属源分别分散在正己烷溶液中，超声、搅拌均匀后混合，继续超声、搅拌，得到分散均匀的溶液。

二、将步骤一得到的溶液倒入球磨罐，调整球质比为20~50:1，在行星式高能球磨机中固定，球磨速率设置为250~450rpm，球磨时间选为5~10h，将球磨得到的浆液在鼓风干燥箱中40~60℃干燥后收集剩余的粉末。

三、将步骤三得到的粉末研磨后在空气或氧气气氛下升温至600~1300℃进行热处理10~30h，然后自然冷却至室温，得到Ti_xNb_yM_zO₇材料；其中升温速率为2~20℃/min。

（2）液相法制备Ti_xNb_yM_zO₇材料：

一、按照摩尔比为y:x:z的比例将Nb盐、Ti盐以及掺杂金属盐分别分散在无水乙醇中，超声、搅拌均匀后混合，继续超声、搅拌，得到分散均匀的溶液。

二、在步骤一所得溶液中加入冰醋酸调节pH至2~5后在油浴锅中加热搅拌，温度控制为40~90℃，直至得到溶胶。

三、将步骤二得到的溶胶转移至鼓风干燥箱中，温度调节为50~100℃，直至溶胶转变为凝胶，然后调节温度为80~160℃，干燥得到干凝胶。

四、将步骤三得到的干凝胶研磨细致后放入石英坩埚并转移至管式炉中，空气或氧气气氛下升温至600~1000℃进行热处理10~30h，然后自然冷却至室温，得到的材料即Ti_xNb_yM_zO₇材料；其中升温速率为2~20℃/min。