[发明专利]一种铌酸钛负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及锂离子电池领域，特别公开了一种铌酸钛负极材料及其制备方法，包括核结构和包覆在核结构表面上的壳结构，所述核结构的主要成分为铌酸钛，所述壳结构的主要成分为钛酸锂，其主要通过制液、包覆和干燥的工序制备而得。本发明制得的铌酸钛负极材料具有优良的离子电导率和电子电导率，降低负极的阻抗，提高放电容量且在锂电池充放电过程中有效减少了负极片的体积形变。

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种铌酸钛负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。由于锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小、快速充电等优点，使其在各种电子产品中都得到了广泛的应用。

目前商业化的锂离子电池的负极材料主要为石墨。传统石墨负极由于锂的嵌入能力较差，容易在表面沉积锂形成锂枝晶，对电池的循环性能和安全性能造成较大的影响。铌酸钛是一种新型的负极材料，由于铌酸钛具有多个氧化还原对，每个铌酸钛晶格可嵌入五个锂离子，从而导致可嵌入的锂离子容量更高，具有更高的理论容量。但铌酸钛作为负极材料会在其表面形成SEI膜，并且其自身离子电导率和电子电导率较低，从而限制了其电化学性能。

为此，相关研究人员通过掺杂、改性等方式进行了大量的研究。申请公布号为CN108493408A的中国发明专利公开了一种改性黏土复合多孔铌酸钛锂电池负极材料及其制备方法，其通过在铌酸钛中添加吸附有锂离子液体的膏状黏土而形成复合材料，随后用乙炔裂解法进行表面包覆实现铌酸钛的改性。

然而，上述改性黏土对锂离子几乎无脱嵌作用，因此将其加入至铌酸钛中会降低锂电池的能量密度，对于相同能量的锂电池，使用该改性黏土改性铌酸钛制成的锂电池负极片的体积相对较大，且其在充放电过程中存在较大的体积形变。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的第一个目的在于提供一种铌酸钛负极材料，其具有优良的离子电导率和电子电导率，从而降低负极的阻抗，提高放电容量，同时在相同能量密度的前提下有效减小负极片的体积，且在锂电池充放电过程中有效减少负极片的体积形变。

本发明的第二个目的在于提供一种铌酸钛负极材料的制备方法，其具有操作简单、生产效率高的特点。

本发明的第三个目的在于提供一种锂电池，具有良好的离子电导率和电子电导率，其在充放电过程中具有良好的尺寸稳定性。

为实现上述第一个目的，本发明提供了如下技术方案：

一种铌酸钛负极材料，包括核结构和包覆在核结构表面上的壳结构，所述核结构的主要成分为铌酸钛，所述壳结构的主要成分为钛酸锂。

通过采用上述技术方案，铌酸钛作为一种新型的负极材料，具有与钛酸锂材料类似的充放电电压平台(1.65Vvs.Li+/Li)，因此将钛酸锂包覆在铌酸钛表面时，两者充放电差异较小，具有良好的电压稳定性。由于钛酸锂的离子电导率和电子电导率均较高，以此能对铌酸钛具有良好的过渡作用，在保证铌酸钛原有电压的前提下，能够有效提高铌酸钛负极材料的离子电导率和电子电导率，降低负极阻抗。

钛酸锂自身作为负极活性材料，锂离子能够较好的在钛酸锂中进行脱嵌，因此将其包覆在铌酸钛表面对锂电池能量密度的影响较小，对于相同能量密度的锂电池，由钛酸锂包覆的铌酸钛相对于由改性黏土、碳材料等包覆的铌酸钛，前者制成的负极片的体积明显小于后者制成的负极片的体积。

另外，鉴于钛酸锂“零应变”的特点，钛酸锂还能对铌酸钛的体积加以限定，从而减少了锂电池在充放电过程中负极片的体积形变，使得锂电池在充放电过程中具有良好的尺寸稳定性，能够有效提高固态电池中负极的界面稳定性。鉴于钛酸锂对液态电解液具有更高的稳定性，钛酸锂能够有利于降低铌酸钛与电解液间的副反应，进而有效提高液态电池中负极表面形成的SEI完整性。因此，采用钛酸锂包覆的铌酸钛负极材料能够有效提高液态或固态电池的循环性能。