[发明专利]一种钛酸盐锂离子电池负极材料的制备方法及其用途

说明书

本发明公开了一种钛酸盐锂离子电池负极材料的制备方法及其用途，本发明以醋酸镧，醋酸锂以及钛酸四丁酯为主要原料，合成纺丝前驱体，通过静电纺丝技术和高温煅烧，自然冷却至室温，得到所述的一种钛酸盐锂离子电池负极材料。本发明制得的锂离子电池负极材料离子电导率高，导电性好，容量高，循环性能好，具有广泛的用途。在材料整个制备过程中，操作简单，原料成本低，设备投资少，适合批量生产。

技术领域

本发明属于材料化学领域，具体涉及一种钛酸盐锂离子电池负极材料的制备方法及其用途。

背景技术

锂离子电池自问世以来，迅速在数码相机、手机和笔记本电脑等便携电子设备领域应用掀起一场革命，为人们的日常生活提供了巨大的便利，直到今天依然占据着不可取代的地位，并且还在持续发展中。随着人们对于环境保护的重视程度不断加强以及石油、煤炭、天然气等不可再生的传统化石能源逐渐枯竭，世界各国都加强了对新能源的开发和利用。而不管是核能、太阳能，还是风能、水能、潮汐能，都需要转化成电能才能供人类社会更好的利用。因此，以锂离子电池为代表的电能存储设备更将发挥出不可替代的作用。近几年，新能源汽车行业强势崛起，完全以锂离子电池为驱动力的新能源汽车己经成为可能。我国明确提出要在2035年全部淘汰以燃油为动力的传统汽车，世界各大著名汽车企业也纷纷加入到新能源汽车的研发和生产当中。行业的高速发展对锂离子电池的性能提出了更高要求，尤其是功率密度、倍率性能和远距离续航等性能还需要较大的提高。因此探究高性能的锂离子电池依然是各国学者关注的热点内容。

锂离子电池与传统的铅酸电池、镍氢电池等相比，具有能量密度大、循环性能优越、充放电方便、无污染、电压稳定、无记忆性等优点，满足了数码相机、手机和笔记本电脑等便携式电子设备等商品的需求，并得到了广泛的认可。当前锂离子电池的负极材料主要是以石墨为基础的碳材料(Subrahmanyam Goriparti等人，Journal of Power Sources，2014，262，62-71)。这类材料倍率性能较差，无法满足大电流快速充电，且由于其在充放电过程中不可避免的会产生锂枝晶而造成电池短路，存在极大的安全隐患。而尖晶石型的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)是一种倍率性能和循环性能异常优越的“零应变”材料，其理论电容量为175mAh/g，工作电压为1.55V左右，避免了电解液分解现象和SEI膜的生成(Jaguemont，J.等人，Applied Energy，2016，164，99-114)，也不会产生锂枝晶而带来安全隐患。除了结构稳定性好，充放电过程中体积变化小之外，Li₄Ti₅O₁₂作为负极材料还具有以下优点：(1)Li₄Ti₅O₁₂有很长的充放电平台，平台容量较大，充电结束时电位迅速上升，可以避免过充电；(2)良好的结构稳定性不但带来了优越的循环性能，而且使其能够在更大的温度范围中工作，面对复杂多变的使用环境，比碳负极更具实用性。不过Li₄Ti₅O₁₂有两个缺点限制了其进一步发展，第一，比容量比较低，理论比容量只有175mAh/g；第二，电导率低，室温下，钛酸锂的电子电导率只有10^-13S/cm，锂离子扩散系数只有2.7x10^-12cm²/S。这在动力学方面极大限制了钛酸锂的倍率性能，无法实现快速充放电。针对这些缺点，研究者们通常使用离子掺杂、设计纳米结构、表面包覆和与高电导率材料进行复合等方式进行改性。

发明内容