[发明专利]一种钛酸锂负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种钛酸锂负极材料及其制备方法，该负极材料的原料包括，钛源、锂源和表面活性剂，所述的钛源、锂源和表面活性剂的质量比为(75‑79):(15‑20):(0.5‑10)；按质量比，将钛源、锂源、表面活性剂和水混合后进行水热反应，再煅烧后，最终得到钛酸锂负极材料。与现有技术相比，本发明具有独特结构优势，不仅具有优异的循环稳定性、高倍率性能和低温性能，还具有制备简单、耗能少、绿色和易于产业化的有益效果。

技术领域

本发明涉及领域锂离子电池材料制备领域，尤其是涉及一种钛酸锂负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种新型化学储能装置，由于其循环寿命长、能量密度高、无记忆效应等优点，已成为最重要和最先进的电池。目前，碳材料是锂离子电池最常用的商用负极材料。然而，由于“锂沉淀”现象和碳材料充放电过程中体积膨胀引起的安全问题，锂离子电池的发展迫切需要一些安全、可靠、寿命长的新型负极材料。

钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)是一种具有Fd3m空间群和立方对称性的尖晶石晶体，因其显着的“无体积变化”特性而成为一种很有前途的负极材料。在充电和放电期间，单元电池的体积仅变化0.2％。更重要的是，钛酸锂具有相对较高的电位(相对于Li/Li⁺为1.55V)，这可以避免锂枝晶的产生。然而，由于Ti原子中3d电子层缺乏电子，Li₄Ti₅O₁₂的导电性非常差(10^-13S·cm^-1)，锂扩散系数低(10^-9-10^-13cm²·s^-1)这限制了其在高充电/放电速率下的电化学性能。为了解决这些问题，开发具有特殊形态的Li₄Ti₅O₁₂和将其尺寸缩小到纳米尺度被认为是常见且有效的策略。

国际知名期刊《Advanced Energy Materials》报道了题为“UltrathinLi₄Ti₅O₁₂Nanosheet Based Hierarchical Microspheres for High-Rate and Long-Cycle Life Li-Ion Batteries”(DOI:10.1002/aenm.201700950)的关于制备一种结构新颖的钛酸锂材料的研究。具体如下：首先，通过超声波处理将TiO₂粉末(2.0g，Degussa，P25)分散在NaOH溶液(80mL,10μM)中。将获得的分散体转移到100mL不锈钢高压釜中并在120℃下保持24小时，然后通过离心分离得到NaTO NW。随后，将NaTO NW(0.2g)分散在NaOH溶液(38.5mL,2M)中，然后向溶液中加入H₂O₂(1.5mL,30％)。将溶液转移到50mL不锈钢高压釜中并在150℃下保持12小时以制备HNaTO。第三步，将HNaTO加入到HNO₃(0.05μM)溶液中，搅拌12小时以通过氢离子交换Na⁺离子，重复两次并得到HHTO。最后，通过超声处理将HHTO分散在LiOH溶液(40mL,0.3M)中，并将溶液转移到50mL不锈钢高压釜中并在120℃下保持24小时。通过离心分离产物，用水洗涤三次，并在烘箱中干燥。最后在400℃下煅烧4小时后，获得HLTO-NS样品，且该样品具有优异的电化学性能。然而，该制备方法存在操作复杂，添加剂繁多，反应步骤多、材料制备周期长和耗能等问题。当下锂离子电池负极材料都存在析锂、体积膨胀和生成SEI膜等问题。

因此基于上述研究可知，开发一种简便、快速制备新型钛酸锂的工艺具有很重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有独特结构优势，不仅具有优异的循环稳定性、高倍率性能和低温性能，还具有制备简单、耗能少、绿色和易于产业化的有益效果的钛酸锂负极材料及其制备方法。