[发明专利]一种制备钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池制造技术领域，特别是一种制备钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的方法。

背景技术

锂离子电池因具有比能量高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应和对环境污染小等优点，已在小型便携式动力设备、电动车及混合电动车等领域广泛应用。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。因此，大量研究工作者开始致力于开发新型负极材料。尖晶石型钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)被认为是一种很有希望代替碳的负极材料，具有优越的特性：零应变，循环性能优异；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。但是Li₄Ti₅O₁₂的理论容量(175mAhg^-1)较低，其嵌锂电位(vs.1.55Li⁺/Li)较高，导致全电池的比容量低、能量密度下降。随着电子工业、电动汽车及航空航天技术的进步，对锂离子电池的综合性能提出了更高的要求，尤其包括更高安全性能、低成本、长循环寿命、高功率密度和能量密度。锂离子电池组成材料的性能和制备工艺在很大程度上决定了电池的性能，因此要实现锂离子电池综合指标的突破，至关重要的“瓶颈”是如何设计和发展新型电极材料。

近年来，钛酸锌锂(Li₂ZnTi₃O₈)作为一种新型负极材料，引起研究者们关注。与钛酸锂相比，钛酸锌锂具有明显优势：理论容量较高，嵌锂电位低(约0.5V)，有利于提高全电池能量密度。但Li₂ZnTi₃O₈的电导率低，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Li₂ZnTi₃O₈的高倍率性能成为目前研究者们关注的核心课题之一。

发明内容

为了改善Li₂ZnTi₃O₈电导率低的等问题，本发明提出了一种制备钛酸锌锂/碳纳米复合负极材料的方法，以提高其高倍率条件下的比容量。

本发明采用的技术方案为：

(1)悬浮液的制备：称量乙酸锂、乙酸锌、碳源(优选酚醛树脂)，先后溶于无水乙醇，形成黄色溶液；加入纳米二氧化钛，超声20～60min后磁力搅拌1～3h，制得悬浮液，

其中，乙酸锂，乙酸锌和纳米二氧化钛摩尔比以Li：Zn：Ti＝2:1:3计量；酚醛树脂的量按目标产物质量的1～20％计量；

(2)干燥：将步骤1)所述悬浮液在80～90℃的油浴中蒸干后，于100～120℃下真空干燥得钛酸锌锂/碳复合前驱体；

(3)高温反应：将步骤2)所述钛酸锌锂/碳复合前驱体在氩气氛围中热处理至反应完成，得到目标产物钛酸锌锂/碳复合负极材料；其中，所述热处理是在600～800℃下焙烧5～15h。

本发明的有益效果是：本发明首次将酚醛树脂应用于钛酸锌锂电极材料体系中，通过将钛源、锌源、锂源和酚醛树脂球磨混合，制备均匀前驱体，在焙烧过程中，酚醛树脂裂解成碳，均匀的包覆在钛酸锌锂表面，从而合成钛酸锌锂/碳纳米复合材料。

在热处理过程中，酚醛树脂受热分解得到的碳，一方面可以抑制Li₂ZnTi₃O₈在合成过程中颗粒长大，促进小颗粒钛酸锌锂的形成，从而增大了与电解液接触面积、缩短了锂离子的迁移路径，使之具有更好的倍率性能；另一方面，碳提高电子导电性，使电子在大倍率环境工作时传导更顺畅。与已有技术不同之处在于，本发明以含芳香结构的酚醛树脂为碳源，制备钛酸锌锂/碳复合负极材料的工艺简单、安全、成本低廉，所得钛酸锌锂/碳复合负极材料粒径为纳米尺寸，具有较高的充放电容量、良好的倍率性能；其次，酚醛树脂在热处理过程中会裂解生成碳，钛离子是多价的，而碳未改变钛离子价态，未影响Li₂ZnTi₃O₈晶体的形成；此外，酚醛树脂的加入也未导致杂相的生成。