[发明专利]一种在纳米钛酸锂表面富集锶元素的制备方法

说明书

本发明涉及一种在纳米钛酸锂表面富集锶元素的制备方法，通过改进的溶胶凝胶法引入少量锶元素制得表面富集了锶元素的Li₄Ti₅O₁₂负极材料。锶元素在合适的烧结条件下能够以氧化物的形式在颗粒表面自发富集，经高能球磨后该方法制备的钛酸锂颗粒粒径均匀、分散效果好，颗粒团聚现象得到了显著地改善。在材料颗粒表面富集的锶氧化物能有效阻止有机电解液与钛酸锂直接接触，抑制充放电过程中Ti‑O键催化电解液分解引起的气胀现象。制得的Li₄Ti₅O₁₂拥有较高的充放电比容量和较稳定的循环性能，室温条件下，1C倍率时其首次放电容量达到了174.5mAh/g，接近理论容量，10C倍率下其放电容量也达到了120mAh/g以上，在民用便携式电子设备乃至动力设备领域均有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，尤其是涉及一种在纳米钛酸锂表面富集锶元素的制备方法。

背景技术

目前，锂离子电池占据了可充电池的最大市场份额，被广泛应用于手机、笔记本电脑、MP3等民用便携式电子设备，近年来，人们也逐渐将其应用于动力设备，锂离子电池与石油的混合动力汽车也已进入市场。市售的锂离子电池所采用的负极材料多为碳材料，但它存在一个致命的问题，即当电池快充或过充时，电极材料表面可能会析出金属锂，并形成枝晶造成短路，这不仅会降低产品使用寿命，同时也存在安全隐患。随着锂离子电池市场的迅速增大，迫切需要安全性能更好的新型负极材料。而尖晶石Li₄Ti₅O₁₂便因其零应变性、高安全性开始受到广泛关注。

Li₄Ti₅O₁₂具有缺陷型尖晶石结构，这种特殊结构决定了在嵌锂和脱锂过程中，其晶格常数和体积变化均不超过1％，因而其寿命长，性能稳定且更安全。Li₄Ti₅O₁₂相对锂电极的电位约为1.55V，放电平台平缓，理论比容量为175mAh/g，并且由于其可逆脱锂比例接近100％，因而，实验所得的实际容量与理论容量较为接近，基本能够达到160mAh/g以上。但是尖晶石Li₄Ti₅O₁₂用作锂离子电池的负极材料存在一个难题——由于Li₄Ti₅O₁₂是一种固有电导率仅为10^-9S/cm的绝缘材料，因此导电性极差，导致在高倍率放电条件下，电子容易富集，产生电极极化进而限制锂离子的嵌入和脱出，最终影响电池的性能。为了解决这个难题，普遍的改善方法便是减小Li₄Ti₅O₁₂颗粒尺寸或者引入导电物质实现电导率的提升。投加螯合剂能够控制Ti⁴⁺的水解速度，并作为一种基质载体，在凝胶形成过程中使得金属氧化物均匀分散从而实现Li⁺和Ti⁴⁺在分子水平上的充分混合；同时，所有螯合剂都能够起到催化作用，帮助凝胶过程中的形核。这两方面同时作用于产物的颗粒尺寸大小及尺寸分散性，影响其电化学性能：颗粒尺寸越小，Li⁺迁移距离减小，电化学性能更佳。

关于Li₄Ti₅O₁₂的螯合剂改性研究大多单独使用一种螯合剂进行研究，如最经典的柠檬酸螯合剂，由于一种柠檬酸分子只能与一个金属离子发生螯合反应，在局部可能会存在金属离子分布不均衡的问题，也会对络合速度产生一定的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了突破目前采用单螯合剂法制备钛酸锂负极材料所存在的螯合效果不理想，提供一种采用乙二胺四乙酸-柠檬酸双螯合剂剂联合络合法制备具有优异电化学性能的钛酸锂负极材料的方法。此法制备的钛酸锂负极材料显示出优异的倍率性能和循环性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：