[发明专利]一种锂离子电池电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种锂离子电池电极材料及其制备方法，属于锂离子电池材料技术领域。本发明所述锂离子电池电极材料的化学式为：Li₄Ti_5‑x‑yM_xTi’_yO₁₂，其中Ti’为三价，Ti为四价，M为价态高于四的金属，0x1，y0，(nx+3y)/(x+y)=4；本发明以三价钛的化合物为原料引入Ti³⁺，通过引入高价金属离子Mⁿ⁺来稳定Ti³⁺，达到增大电子导电性能的同时，改善电化学性能的效果；采用固相法制备合成路线简单，对设备要求较低，原料来源广泛，成本低，适合大规模的工业生产。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池电极材料及其制备方法，属于锂离子电池材料技术领域。

背景技术

锂离子电池的优点是能量密度高、自放电率低、循环性能好、无记忆效应等。目前商业化的用于电子便携设备的锂离子电池，其正极材料大多使用能量密度高的钴酸锂、三元材料等作为活性物质，负极材料大多采用石墨或者硅基材料作为活性物质。

对于锂离子电池负极材料，目前商用负极碳材料电位在0~0.2 V(vs Li/Li⁺)，在电池过充时，会在碳负极表面析出形成枝晶造成短路，从而引发诸多安全问题。此外，在充放电过程中，由于锂离子的嵌入和脱出，极易导致骨架结构因为来回伸缩出现的变形，使得循环性能下降；Li₄Ti₅O₁₂作为一种负极材料，其电极电位是1.55V（vs Li/Li⁺），高于金属锂的沉积电位，避免了因为循环过程中枝晶生长引起的安全问题；另外，它还被称作为“零应变”材料，因为在电池循环过程中它的晶格常数和晶胞体积几乎不发生变化（1%），从而有较好的循环稳定性和较长的使用寿命；但是该材料的本征电子导电性较差，在大电流下充放电容易增大极化，使得在大倍率下的比容量急剧降低。

发明内容

为了克服钛酸锂本征电子导电率低而引起的较差的倍率性能问题，本发明的目的在于提供一种锂离子电池电极材料，该锂离子电池电极材料通过引入高价离子，使得原料中的Ti³⁺稳定存在于目标产物，达到改善材料的电导率的目的，进而改善材料的充放电倍率性能以及循环性能；所述锂离子电池电极材料的化学式为：Li₄Ti_5-x-yM_xTi’_yO₁₂ ，其中Ti’为三价，Ti为四价，M为价态高于四的金属，0x1，y0，(nx+3y)/(x+y)= 4。

优选的，本发明所述M为为价态高于四的金属为Mo、V、Nb、Cr中的一种或两种，其他满足要求的价态高于四的金属，也可以用于本发明。

本发明的另一目的在于提供成本低廉，操作简单的锂离子电池电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：

（1）按照化学计量比称取钛源化合物、锂源化合物、高价金属M的化合物，混合，得到粉末状混合物。

（2）将步骤（1）得到的粉末于氩气或者其他惰性气体中进行烧结，得到改性钛酸锂Li₄Ti_5-x-yM_xTi’_yO₁₂锂离子电池电极材料。

优选的，本发明所述钛源化合物三氧化二钛和者二氧化钛，三氧化二钛引入的是三价Ti对应Ti’，二氧化钛引入的是四价Ti，对应的是Ti。

优选的，本发明采步骤（2）的中烧结过程为：惰性气体保护，室温预烧至450~550℃，保温0~20h，再继续升温至700~850℃，保温1~48h。

本发明的有益效果为：