[发明专利]锂离子电池用纳米钛酸锂负极材料及其制法和应用

说明书

本发明涉及锂离子电池用纳米钛酸锂负极材料及其制法和应用，所述钛酸锂负极材料的结构式为Li_xTi_yM_aO_z，其中1.95≤x≤4.21，3≤y≤5，6≤z≤12，0＜a≤0.07，M为掺杂元素，选自铝、镁，钇、镧、锆或铈中的一种或两种以上元素，含量0.01wt％～0.3wt％。本发明采用阻隔技术，突破了以往氧化气氛下合成钛酸锂的传统观念，通过在还原气氛下合成高比表面积钛酸锂，然后再在氧化气氛下将阻隔剂去除的方法高效合成高比表面积钛酸锂负极材料，工序简单，经济可行。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，主要涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种高比表面积的锂离子电池用纳米钛酸锂负极材料及其制法和应用。

背景技术

锂离子二次电池由于具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长等优点，而被广泛用作各种移动设备的电源，储能电站，甚至在航空、航天、航海、汽车、医疗设备等领域中逐步取代其他的传统电池。

作为近年来出现的锂电池电动车(如日本丰田产普瑞斯，美国特斯拉公司产的特斯拉电动车等，比亚迪公司产F6铁电池电动车，以及各地近年推出的电动大巴等)，以及电贮存能站等，其使用特点是将大量能量密度高的锂离子电池集中存放在一起，通过电能管理系统进行充放电等使用。在上述设备的商业化过程中，锂离子二次电池的充/放电倍率性能一直是各生产厂商及应用终端客户密切关注的重点领域，燃料驱动与电力驱动就像煤气炒菜和电阻炉炒菜的区别一样，电力输出通常是一个平缓的过程，煤气则可以大范围的调节。以中高档车为例，启动时每百公里耗时多少秒是汽车性能参数的重要指标，而汽车在启/停过程中通常需要有较大的功率输出，如驱动力替换为锂离子二次电池，就涉及到锂电池的倍率尤其是放电倍率性能，如果电池的充/放电倍率大，则电池在单位时间内输出的功率就大，就能满足不同工况下的需求。

在锂离子化学电源体系中，通常是由锂离子的转移实现能量的输出，其涉及到正极，负极，隔离膜，电解质等多种固/液体多孔介质之间的电子转移(锂离子电池的电化学阻抗谱分析，庄全超；徐守冬；邱祥云；崔永丽；方亮；孙世刚《化学进展》2010.22(6)P 1044-1057)，放电电流过大时，锂离子来不及嵌入正极材料中，往往会在负极/隔离膜孔，正极表面(含颗粒)形成高活性的金属锂单质，长期使用会带来严重的安全问题，充电过程中同样会因电流过大出现金属锂富集于锂电池内部各界面的问题。

因此如何平衡能量输出和电池的安全性成为锂离子电池尤其是动力电池急需要解决的问题。

目前锂离子二次电池使用的负极材料主要集中于人造石墨，天然石墨，钛酸锂，软碳，硬碳等材料，除石墨及钛酸锂外，其他材料因本身优点/缺点过于明显，目前尚未在锂电池材料产业大规模应用。相对于石墨材料而言，钛酸锂材料是一种由金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，属于AB₂X₄系列，可被描述成尖晶石固溶体，空间点群为Fd_3m空间群，晶胞参数a为0.836nm，电导率为10^-9S/cm，尽管电导率差，由于其结构上具有三维锂离子通道，因而材料的快充/快放性能较好，在动力电池及储能市场有较好的应用前景。

钛酸锂材料最早是研究应用于快离子导体及锂电池用正极，1996年加拿大研究者K.Zaghib首次提出采用钛酸锂作为负极与高电压正极材料组成锂电池，与碳电极组成电化学电容器，之后相关的开发应用研究才如火如荼展开。如能在其耐快充/快放性能的基础上解决大倍率放电，则可以进一步优化材料的电化学性能，扩大材料在锂电池中的应用优势，目前基于环保要求，除发展重在替换燃油汽车的xEV用动力电池外，还有每台汽车上的点火用铅酸电池需要替换，该市场体量巨大，经济社会效应明显，同时迫于环境的要求市场上仍旧有大量的铅酸电池需要替换升级。