[发明专利]一种钛酸锂材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池材料的制备方法，具体涉及一种纳米级多孔纤维状钛酸锂的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度大、输出功率高、充放电寿命长、无污染、工作温度范围宽及自放电小等诸多优点。其作为新型的高能化学电源，随着人类环境意识的提高和对安全性问题的关注。需要对锂离子电池过电流，内部枝晶导致内部短路或过充等滥用可能出现的内部的热积累，引发的电解液、正极及内部其他材料发生放热连锁反应，最终导致锂离子电池发生热失控予以解决。

解决锂离子电池安全性问题主要包括：用维护手段或辅助管理来保证其安全性。如通过锂离子电池管理系统防止锂离子电池短路、过充及超温等。或改善锂电池负极材料来提高电池自身的安全性。

目前商业锂离子电池负极材料主要是碳基材料，尽管碳基材料成本低，但还是不能彻底解决安全性能差、首次充放电效率低、高温时热失控的缺点。钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)由于其优良的结构稳定性，热以及化学稳定性和丰富的钛资源且无毒环保作为锂离子电池中非常具有吸引力的非碳负极材料而受到广泛关注。因其材料自身的下述独特优势，钛酸锂弥补了石墨碳作为负极存在的严重不足：(1)放电平台稳定，不易于电解液分解，可提高锂电池的安全性能；(2)具有高离子扩散系数(2×10^-8cm²/s)，可以高倍率充放电优势；(3)是一种“零应变”材料，循环性能好；(4)钛酸锂的电势比纯金属锂的高，不易产生锂枝晶，为保障锂离子电池的安全提供了可靠基础。但钛酸锂的电子导电率和离子扩散系数低，导致其高倍率性能差。而将其制备成纳米结构，有利于缩短锂离子扩散路径，从而提高锂离子扩散系数。

现有的纳米结构制备技术主要有：(1)纳米颗粒结构：纳米级的颗粒能够缩短锂离子的扩散路径，多孔状的结构使得电解液更容易浸入，因而，使电极材料实现了高倍率性能。但是纳米颗粒形貌均一、粒度分布集中，导致其极易产生团聚，在电池体系中将会影响电解液扩散进入活性电极材料中。(2)纳米中空结构：中空结构的主要贡献体现在两方面：一是彼此相连的纳米颗粒形成的纳米棒式结构极大的减少了锂离子的扩散距离；二是中空结构形成的微孔实现了电解液与电极材料间的充分接触。但不足之处是制备工艺复杂，成本高昂。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米钛酸锂材料以解决如下问题：一、增加锂离子的扩散系数和减小锂离子的扩散距离，利于锂离子的扩散；二、增加其比表面积使其活性物质和电解液充分接触；三、增大锂离子的扩散速度，可以充分利用活性物质，使得活性物质的利用率增加，从而提高钛酸锂的倍率性能和循环性能。

静电纺丝法是一种制备纳米纤维丝材料的技术。静电纺丝技术制备纳米纤维丝时，由于带电雾滴在喷射时的运动轨迹沿电力线方向，通过改变接收电极的图形而改变电力线的分布，可以控制单层纳米纤维丝排列的方向。

水热反应是在高温高压下水溶液的密封体系中进行的化学反应。由于高温高压提供了常压条件下无法得到的特殊的物理化学环境,因此合成的材料具有一般合成方法无法得到的微观形貌,制备的产物一般不需要高温处理,结晶良好,粒度分散均匀,颗粒间较少团聚。

本发明将通过静电纺丝和液相法相结合制备出多孔纳米纤维状钛酸锂材料，其比表面积大，可以使电解液和活性物质充分接触，并且多孔纳米状将大大缩短锂离子扩散路径，从而大大提高了其锂离子扩散系数，使钛酸锂材料的倍率性得到很大的改善。

本发明的另一目的是提供一种上述方法制备出的钛酸锂材料所制备的电池负极材料、利用该电池负极材料制备的锂离子电池。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种钛酸锂制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)制备纳米纤维状的TiO₂；

(2)用制得的纳米纤维状TiO₂制备钛酸锂前驱体；

(3)将制备的钛酸锂前驱体进行煅烧处理。

进一步的，所述步骤(1)包括如下步骤：

A、配制高聚合物溶液和钛源的混合液；

B、用上述混合液静电纺丝制得纳米纤维TiO₂前驱体；

C、煅烧上述前驱体得纳米纤维状TiO₂。

进一步的，所述的高聚合物溶液由聚乙烯吡咯烷酮和无水乙醇配置；所述钛源包括钛酸异丙醇。

进一步的，所述的聚乙烯吡咯烷酮相对分子质量为36 0000。