[发明专利]钛酸锂复合负极材料及其制备方法和锂离子电池

说明书

本发明公开了一种钛酸锂复合负极材料及其制备方法和和锂离子电池，要解决的技术问题是提高钛酸锂复合负极材料的电化学性能。本发明的钛酸锂复合负极材料，采用以下方法制备得到：制备过渡族金属盐溶液，制备附载有过渡族金属盐的MXene颗粒，制备MXene与纳米碳复合材料，对MXene与纳米碳复合材料进行酸纯化处理，制备前驱体，煅烧得到钛酸锂复合负极材料。本发明的锂离子电池，负极采用本发明的钛酸锂复合负极材料。本发明与现有技术相比，以MXene纳米碳编织成的柔性框架来搭接钛酸锂纳米颗粒，获得由钛酸锂、MXene、纳米碳三维自支撑特性的复合材料，该复合材料导电性能、循环稳定性更好，有效提升了锂离子电池的电化学性能和安全性。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池材料及其制备方法和用途，特别是一种锂离子电池负极材料及其制备方法和用途。

背景技术

随着技术的发展，社会的进步和环境问题的日趋严峻，各行业中绿色可再生能源的使用越来越广泛，纯电动汽车和混合电动汽车市场也在高速增长。作为储能领域最重要组成部分之一的锂离子电池，在满足高能量密度、长循环寿命、安全平稳等性能指标的同时，如何显著提高其大电流充放电性能及倍率性能越来越成为学术界和工业界非常关心的研究课题。

石墨类负极材料和钛酸锂是最为常见的两种锂离子电池的负极材料。其中，钛酸锂材料具有尖晶石型结构，是一种“零应变”材料，在充放电过程中电极材料的体积几乎没有变化，循环性能稳定，同时，其充放电电压平台电位高且平稳，库伦效率高，锂离子固相扩散系数高，快速充放电性能远远优于传统的石墨负极材料，非常适合用作高功率与动力型锂离子电池负极材料。由于钛酸锂锂离子电池的安全性能优异，能够大大减少整个电池系统中对电源管理、安全模块的要求，从而大大降低电池系统整体成本。因此，钛酸锂是一种优异的动力电池材料，被应用于包括锂离子电池在内的新能源领域。但是，钛酸锂导电性差，其电子导电率仅为10^-13S.cm^-1，在一定程度上限制了该材料倍率性能的表现，也限制了其在锂离子动力电池以及电容器领域的应用。因此，目前有较多的研究工作着眼于提高钛酸锂的导电性。常用的方法有：(1)掺杂金属离子改性；(2)表面包覆碳改性或制备钛酸锂与导电剂的复合材料。石墨烯是广泛使用的导电基质材料，但石墨烯与多数极性分子、溶剂介质等相互作用较弱，不适用于构筑高性能复合电极材料。对石墨烯进行化学功能化可有效调变其化学反应活性与界面性质，但同时破坏其二维共轭结构，从根源上限制了复合材料电化学性能的提高。二维层状过渡金属碳化物纳米片MXene是一类具有类石墨烯结构与新颖性质的新型二维晶体化合物，具有高的比表面积、良好的导电性和亲水性，可望作为构筑纳米复合结构的理想基质材料，改进复合材料的导电性，优化复合材料的倍率充放电性能。但现有技术还没有一种性能比较优异的包含有MXene的钛酸锂复合负极材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛酸锂复合负极材料及其制备方法和和锂离子电池，要解决的技术问题是提高钛酸锂复合负极材料的电化学性能。

本发明采用以下技术方案：一种钛酸锂复合负极材料，采用以下方法制备得到，包括以下步骤：

步骤一、制备过渡族金属盐溶液

将过渡族金属铁、钴、镍、铬的硝酸盐、氯化盐、硫酸盐、乙酸盐和草酸盐中的一种以上，功率密度不低于0.5W/cm²，超声搅拌0.5～2h，得到过渡族金属离子浓度为0.1～10mol/L的过渡族金属盐溶液；

步骤二、制备附载有过渡族金属盐的MXene颗粒

将MXene放入反应装置，抽真空至0.1MPa～0.03MPa，不含左端值，按MXene与过渡族金属盐溶液质量比为0.1∶1，将过渡族金属盐溶液注入反应装置，功率密度不低于0.5W/cm²，超声搅拌0.5～1h，解除真空，过滤、干燥，得到附载有过渡族金属盐的MXene颗粒；