[发明专利]一种六方棱柱形铌酸钛负极材料及其制备方法

说明书

本发明涉及锂电池技术领域，特别涉及一种六方棱柱形铌酸钛负极材料及其制备方法。本发明提供了一种六方棱柱形铌酸钛负极材料及其制备方法。采用钛源化合物、铌源化合物、掺杂元素M化合物、碳源化合物和表面活性剂的混合悬浮液，通过水热法制备出铌酸钛前驱体，颗粒形貌为六方棱柱状；然后将该前躯体在氮气气氛保护下高温焙烧得六方棱柱形铌酸钛负极材料。本发明制备的六方棱柱形铌酸钛负极材料20C倍率放电，其容量保持率为80％，高温45℃循环50周，其容量保持率为100％，并且六方棱柱状的单晶颗粒形貌使得材料具有更高的压实密度(≥3.0g/cm³)。

技术领域

本发明涉及锂电池电极材料及其制备技术领域，特别涉及一种六方棱柱形铌酸钛负极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着国家和地方政府的大力支持，电动汽车市场的需求量在不断增长。电池安全性、快充能力、续航能力是决定动力电池发展的关键因素。

传统锂离子电池均采用碳类负极材料，该材料具有可逆容量高(理论372mAh/g)和充放电电压低等优点，是目前发现的综合电化学性能较好的材料。但碳类负极材料在过充电和大电流充电时，易造成锂枝晶在其表面的沉积，而锂枝晶容易刺破隔离正负电极的隔膜材料，从而引发电池微短路或局部过热等安全隐患，这也就限制了动力电池在HEV、PHEV和EV中的使用条件，不能进行大功率充电，也不能低温充电。因此，学术界和工程界均开始关注石墨以外的负极材料。

钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)材料具有嵌锂电位高和体积零应变等特点，使其在快速充放电过程中具有良好的循环稳定性和优越的安全性，曾被认为是可替代石墨的理想负极材料。但是钛酸锂的比容量低(理论175mAh/g)及材料压实密度低，导致钛酸锂电池能量密度低，价格成本高，无法满足市场应用要求。

Goodenough先生于2011年(Chem.Mater.2011,23,2027-2029)首次报道将铌酸钛氧化物(NbTiO_x)应用于锂离子电池的负极材料。铌钛氧化物与钛酸锂具有相近的脱嵌锂电位，使其在快速充放电过程中同样具有良好的循环稳定性和优越的安全性；但相比石墨和钛酸锂材料，该材料具有更高理论比容量(387-402mAh/g)和更高的电极片压实密度(约石墨的两倍)，因此，采用铌酸钛氧化物为负极材料的动力电池将具有更高的能量密度和更低的成本，从而弥补石墨负极的析锂问题和钛酸锂负极的低能量问题。但是，该铌酸钛材料仍存在电子电导率低和离子扩散速率慢等问题，需继续提升改善，否则将会限制该材料在动力电池产品中的应用。

东芝申请的中国专利申请201410317846.8号公开了掺杂包覆型铌酸钛氧化物的制备方法，并将其作为负极材料使电池具有较高的能量密度，然而采用此方法制备的铌酸钛氧化物材料在循环过程中材料结构晶型变化较大导致其循环性能和倍率性能较差，这将会限制材料的实际应用。浙江锋锂新能源公司申请的中国专利CN110311130A公开了一种核壳结构的铌酸钛负极材料制备方法，对核体铌酸钛材料进行喷雾包覆钛酸锂材料，通过对铌酸钛的核壳结构设计来提升材料的电子电导率和离子扩散速度，从而降低铌酸钛电芯的内阻并提升放电容量。但是，该发明的核壳结构容易在电芯的电极碾压制片阶段受到形貌破碎，从而失去核壳结构特征，失去材料性能改善效果，并且该制备工艺成本高昂，采用有机体系，安全隐患大。

因此，根据市场发展需求，需要制备一种较具有电子电导率高、离子扩散速率快、电极片压实密度高的铌酸钛负极材料，从而实现铌酸钛电芯的优异电化学性能，具有高容量、长寿命和高功率特点。

发明内容