[发明专利]一种锂离子电池负极材料钇掺杂钛酸锂的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于电池材料和技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料钇掺杂钛酸锂的制备方法及应用。

背景技术

目前，商品化的锂离子电池负极材料主要是各种嵌锂碳材料。但是碳电极的电位与金属锂的电位很接近，当电池过充电时，碳电极表面易析出金属锂，会形成枝晶而引起短路，温度过高时易引起热失控等。同时，锂离子在反复地插入和脱嵌的过程中，会使碳材料的结构受到破坏，从而导致容量的衰减。因而寻找能在碳负极稍正的电位下嵌入锂，廉价易得、安全可靠和高比容量的新负极材料是未来锂离子电池负极材料发展方向。

钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂理论比容量为175mAh/g，工作电压为1.55V左右，同时Li⁺脱嵌对材料的结构几乎没有影响，被称为“零应变材料”。作为负极材料克服了传统锂离子电池石墨类碳负极材料的缺陷，具有循环性能优良、放电电压平稳、嵌锂电位高不易析出金属锂的突出优点，具备了下一代锂离子电池必须的快充、长寿命、高安全的特性。然而钛酸锂负极材料固有电导率为10^-9S/cm，在高倍率充放过程中易产生较大极化，降低其高倍率下的电化学性能。

针对钛酸锂高倍率下电化学性能欠佳的问题，主要从制备粉体颗粒细化和提升材料电导率入手。针对提升材料的电导率，掺杂改性是较为有效的手段，目前研究掺杂元素包括：Mg²⁺、Al³⁺、Sr²⁺、Ba²⁺、Ag⁺、Zr⁴⁺、La⁺、Ce⁴⁺、Br^-、F^-等及其复合掺杂。传统固相法工艺简单，设备要求低，目前主要应用于商业化钛酸锂等其他金属氧化物电极材料的批量化生产，但是制备的粉体材料颗粒尺寸较大，难以实现钛酸锂材料高效利用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种锂离子电池负极材料钇掺杂钛酸锂的制备方法，能够解决现有技术制备出电池负极材料颗粒尺寸较大、电导率低，难以实现材料高效利用的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种锂离子电池负极材料钇掺杂钛酸锂的制备方法，该方法通过如下步骤实现：

1)称取钛源、锂源、钇源，并将钛源溶于硝酸，锂源和钇源溶于去离子水中，混合均匀，得到混合溶液；

2)向步骤1)所得混合溶液中加入一定量的燃烧剂转入坩埚，置于马弗炉中，发生自蔓延燃烧现象，得到燃烧产物；

3)在700～900℃下对步骤2)所得燃烧产物进行热处理后，冷却至室温，得到钇掺杂钛酸锂粉体；

4)将步骤3)所得钇掺杂钛酸锂粉体放入球磨机进行球磨，过筛后得到目标粉体。

优选地，所述步骤1)中钛源中钛的摩尔量、锂源中锂的摩尔量以及钇源中钇的摩尔量三者之比为n_Ti：n_Li：n_Y＝1：0.85：(0.005～0.010)。

优选地，所述步骤1)中锂源为硝酸锂、醋酸锂、碳酸锂中的一种或多种，所述钇源为硝酸钇、醋酸钇、碳酸钇中的一种或多种，所述硝酸为分析纯，所述硝酸的质量分数为65～68％。

优选地，所述步骤2)中燃烧剂为尿素、甘氨酸、丙氨酸的一种或多种。

优选地，所述步骤2)中马弗炉的温度为300～500℃。

优选地，所述步骤3)的具体方法为：将燃烧产物在通有惰性气体的高温箱式炉中进行烧结，加热至700～900℃，加热速率为5～15℃/min，保温7～10h，随炉冷却至室温，得到钇掺杂钛酸锂粉体材料。

优选地，所述步骤4)中的球磨时间为1～3h。

优选地，所述步骤4)中球磨机的转速为400～600r/min。

本发明提供了一种锂离子电池负极材料钇掺杂钛酸锂。

本发明还提供了一种锂离子电池负极材料钇掺杂钛酸锂在锂离子电池体系中的应用。

采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果：通过采用高能球磨与液相燃烧法相结合的方法所制得的钇掺杂钛酸锂材料粒径小且分布均匀，电导率、锂离子扩散系数得到了明显提高，并且在高倍率下表现出良好的电化学性能，同时提升循环稳定性。本发明所用原料来源丰富，制备工艺简单，易于实现工业化生产。

附图说明

图1为本发明制备方法中实施例2所得钇掺杂钛酸锂的SEM图；