[发明专利]一种具有多级碳包覆网络结构的钛酸锂负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种具有多级碳包覆网络结构的钛酸锂负极材料及其制备方法和应用，通过在TiO₂制备过程中进行新型导电碳材料的掺杂实现钛酸锂原料前驱体中的原位内部碳掺杂，再通过外部二次包碳合成具有内部新型碳材料掺杂外部具有常规碳包覆的多级碳包覆网络结构的钛酸锂负极材料。本发明具有多级碳包覆网络结构的钛酸锂负极材料，可实现大倍率下的快速充放电并充分发挥材料粒子内部活性物质的容量，适用于锂离子二次电池电极材料。

技术领域

本发明涉及一种具有多级碳包覆网络结构的钛酸锂负极材料及其制备方法，可应用于锂离子二次电池，属于钛酸锂负极材料合成技术领域。

背景技术

Li₄Ti₅O₁₂作为锂离子电池负极材料，在充放电时锂离子的嵌入和脱出对材料结构几乎没有影响，被称为零应变材料，且能够在零下50℃至75℃的范围内正常使用，因此是应用于动力电池的优选材料之一。但是由于钛酸锂材料是一种半导体材料，锂离子和电子导电性较差，导致制成的锂离子电池高倍率充放电时极化现象比较严重，钛酸锂粒子内部容量难以发挥，倍率性能欠佳。

为了提高钛酸锂电子导电性和锂离子传输性，通常采用纳米化、金属离子掺杂和碳包覆等方法。其中最常用的是碳包覆，可提高材料的导电性和锂离子传输性，但也会遇到因碳包覆不均匀或碳材料导电性差而导致的材料粒径均一性差和导电网络结构不完整的问题，从而影响材料整体的大倍率充放电性能；

掺杂或包覆新型导电剂碳材料，利用石墨烯、碳纳米管等形成的三维导电网络，可以提高颗粒间及颗粒与集流体间的电接触和电子导电性，同时新型碳材料具有较高的比表面积。可以吸附并储存电解液，为锂离子和电子的传输提供通道，达到提高倍率特性和循环性能。如中国专利申请(公开号CN101630732A)公开了一种碳纳米管负载纳米级钛酸锂复合材料制备方法，该方法将碳纳米管分散液与钛源、锂源及掺杂元素一起混合均匀，加热干燥制得钛酸锂前驱物，惰性气体下烧结得到碳纳米管复合钛酸锂的材料；中国专利 (公开号CN102376937A)中公开了一种纳米钛酸锂/石墨烯的制备方法，该方法采用已制备好的微米级钛酸锂与石墨烯混合球磨，提高材料的倍率和循环性能。上述专利均只是在钛酸锂材料表面包覆碳纳米管或石墨烯等，而材料粒子内部仍然缺乏有效的导电网络结构，在大倍率充放电下，锂离子和电子难以快速传输到粒子内部，不能充分发挥材料容量。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的之一是提供一种具有多级碳包覆网络结构的钛酸锂负极材料，可实现大倍率下的快速充放电并充分发挥材料粒子内部活性物质的容量。

同时，本发明的另一目的还在于提供一种上述钛酸锂负极材料的制备方法，通过在TiO₂制备过程中进行新型导电碳材料的掺杂实现钛酸锂原料前驱体中的原位内部碳掺杂，再通过外部二次包碳合成具有内部新型碳材料掺杂外部具有常规碳包覆的多级导电碳网络的钛酸锂负极材料。

再次，本发明还提供了上述钛酸锂负极材料作为锂离子二次电池电极材料的用途。

为了实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

本发明中提供一种具有多级碳包覆网络结构的钛酸锂负极材料的制备方法，步骤包括：

（1）将钛酸四丁酯、无水乙醇、新型导电碳材料以及辅助添加剂混合均匀，得乙醇分散液；

（2）剧烈搅拌下，优选搅拌转速500-1000 rpm，向步骤（1）分散液中加入水优选去离子水，得到悬浮乳液；

（3）将步骤（2）的悬浮乳液加热，进行水热反应；

（4）步骤（3）反应体系真空过滤如采用循环水真空泵，过滤得到的沉淀物用无水乙醇洗涤（优选洗涤三遍，每次采用与步骤（3）反应液等体积的无水乙醇），然后干燥，优选60℃真空干燥12 h，形成纳米级原位掺杂新型导电碳材料的二氧化钛前驱体；