[发明专利]一种钛镁铬酸锂的合成方法及其作为锂离子电池负极材料的应用

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种钛镁铬酸锂的合成方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。

背景技术

随着经济的发展，人们对能量的需求日益增加。长久以来，煤炭、石油等化石燃料是人类获取能量的主要来源，但这些能源在获取的同时会释放出大量的有害气体，给环境带来了极大的危害。为了解决能源枯竭和环境污染给人类带来的挑战，人类必须加快开发和利用绿色环保且可再生的新能源的步伐。在众多的电池产品中，锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长、工作电压平稳、无记忆效应、可快速充放电和无污染等优点而受到人们的青睐。

20世纪90年代初，日本索尼公司率先开发出以石焦油作为锂电池的负极材料、LiCoO₂作为锂电池正极材料的锂离子电池。这种方式不仅提高了锂离子电池的安全性和充放电循环寿命，而且打开了锂离子电池的市场。

众所周知，电池材料性能的优劣决定了锂离子电池的整体性能。因此研制新型高比能量的锂电池材料一直是锂离子电池的研究热点。锂离子电池的负极材料在充放电过程中作为锂离子的载体，显得尤为重要。从锂离子电池的发展看来，负极材料的研究进展对锂离子电池的发展起着决定性的作用。

1996年，加拿大学者K.Zaghib首次提出了选用钛酸锂作为负极材料与高电压正极材料构成锂离子蓄电池(K.Zaghib,Solid state lithium ion batteries using carbon or an oxide as negative electrode,Proceedings of Lithium Polymer Batteries(ISBN 1 56677 167 6))，或者与碳电极组成电化学混合电容器。其中，尖晶石型的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)具有较高的工作平台(1.55V vs.Li⁺/Li)，在充放电过程中不会产生锂枝晶，且具有良好的安全性能；而且在充电过程中不像碳材料一样需要生成钝化膜，这有利于电解质与活性物质的充分接触。Li₄Ti₅O₁₂材料在锂离子脱出和嵌入的过程中，晶格常数的变化仅0.001，因此Li₄Ti₅O₁₂是一种“零应变”材料。钛酸锂的诸多优点使其在电动汽车、混合动力汽车和储能电池等领域具有广泛的应用前景。但是，Li₄Ti₅O₁₂材料的电子电导率低导致其在高倍率下电化学性能较差，而且在电池充放电过程中会产生胀气问题，这些都严重地影响了电池的循环寿命，并限制了钛酸锂的实际应用。

为了适应电池的发展需求，需要开发新型的钛酸盐体系的负极材料。新型负极材料能够极大程度提高钛酸锂材料的电子电导率，改善其倍率性能，同时在一定程度上改善其胀气问题。这种高电导率、低胀气的钛酸盐材料在锂离子电池储能领域和启停电源领域具有很大应用前景。

发明内容：

本发明的目的是提供一种新型的钛镁铬酸锂的合成方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。

一种钛镁铬酸锂的合成方法，其步骤如下：

(1)将钛源溶于醇溶液中形成钛溶液；

(2)将锂源、镁源、铬源加入去离子水中，配制成混合溶液；

(3)在搅拌状态下，将混合溶液加入到钛溶液中，充分混合均匀得复合溶液；

(4)将复合溶液转移到反应釜中，于170-190℃条件下加热至少24h，经过抽滤干燥后得到前驱体；

(5)将前驱体在空气气氛下、温度为500-700℃的条件下煅烧至少12h，得到负极材料钛盐。

进一步方案，所述负极材料钛盐的分子式为Li_4-xTi₄Mg_xCrO₁₂，其中0.9≤x≤1.1。

进一步方案，所述钛、锂、镁、铬的元素摩尔质量比为4：(3-3.15)：(0.95-1.05)：1。

进一步方案，所述钛源为钛酸四丁酯、硫酸钛、四氯化钛中的一种或者多种。

进一步方案，所述锂源为氢氧化锂、碳酸锂、醋酸锂、硝酸锂、草酸锂中的一种或多种。

进一步方案，所述镁源为乙酸镁、氯化镁、硝酸镁、硫酸镁中的一种或者多种。

进一步方案，所述铬源为硝酸铬、乙酸铬中的一种或两种。