[发明专利]一步反应制备含锆掺杂钛酸锂的方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电电池材料领域，具体涉及一种一步反应制备含锆掺杂钛酸锂的方法。

背景技术

开发出高比能量、高循环性能、安全性高以及绿色环保的锂离子二次电池是当今社会的迫切需求。其中，锂离子二次电池的关键是寻找合适的电极材料，使电池具有足够高的锂嵌入量和很好的锂脱嵌可逆性，而负极材料是决定锂离子电池整体性能的关键因素之一(梁科,朱聪,熊杰,秦文峰.锂离子电池负极材料Li₄Ti₅O₁₂的改性研究进展[J].电子元件与材料,2013,32:75～78.)。

目前，锂离子电池的负极大多采用各种嵌锂碳材料(于海英,谢海明,杨桂玲,颜雪冬,王荣顺.锂离子电池新型快充负极材料Li₄Ti₅O₁₂的改性研究[J].高等学校化学学报.2007(8):1556-1560)，但是以碳材料做负极的锂电池在应用上仍存在多种弊端，主要表现为：碳材料的嵌锂电位与金属锂形成电位接近,电池充电时，在石墨表层易析出金属锂而形成锂枝晶而导致电池内部短路；易形成SE膜而导致首次充放电效率较低，不可逆容量较大；在电池反复充放电过程中，由于锂离子的反复脱嵌带来的电极材料结构的变化，从而导致电池容量发生衰减(吴兰钧.钛酸锂负极材料研究进展与应用[J].客车技术.2014(2):34)。这限制了其更大范围的应用，特别是限制了其在动力电池上的应用。

从提高电化学性能以及减小环境污染、降低材料制备成本等多方面考虑，研究人员在不断地研究和开发新型的锂离子电池负极材料，尖晶石型钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)是一种“零应变”材料，锂离子的脱出和嵌入几乎不会引起材料的晶体结构发生变化，因而材料具有优异的循环性能；Li₄Ti₅O₁₂相对于金属锂的电位为1.55V，远高于大多数电解液的还原电位，可避免电解液的还原分解和钝化膜的形成，同时可避免锂枝晶的生成。Li₄Ti₅O₁₂本身具有的这些优点使其成为很有应用前景的锂离子电池负极材料(朱希平.锂离子电池负极材料商业化尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂的改性研究[J].东莞理工学院学报,2012,19(5):70-74)。

但由于Li₄Ti₅O₁₂本身导电性差，在大电流充放电时容易产生较大的极化，严重影响到材料的倍率性能，这就限制了钛酸锂负极材料在动力电池中的应用。目前改善Li₄Ti₅O₁₂倍率性能的途径主要有：制备小粒径Li₄Ti₅O₁₂，缩短Li⁺的迁移路径从而提高Li₄Ti₅O₁₂导电性；通过添加与Li⁺或Ti³⁺、Ti⁴⁺、O^2－离子半径相近的离子如Zr⁴⁺,Mg²⁺，K⁺来制备有晶格缺陷的Li₄Ti₅O₁₂材料，使Li⁺在电极活性物质中快速嵌入和脱出，从而达到提高Li₄Ti₅O₁₂导电性的目的。

目前主要由以下工艺路线制备含锆掺杂钛酸锂:

(1)固相法制备含锆掺杂钛酸锂