[发明专利]一种Na和Cl共掺杂锂离子负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种Na和Cl共掺杂锂离子负极材料及其制备方法，通过CH₃COOLi、NaCl、CH₃COOH和钛酸四丁酯制备前驱体后进行煅烧即可得到共掺杂钛酸锂材料。阳离子掺杂能扩大钛酸锂的锂层间距，增加锂离子扩散速率，有利于提高材料容量。阴离子掺杂对电子电导率改善明显。Na⁺元素和Cl^‑的共同掺杂，既提高了电池材料的容量，而且又改善了材料的倍率性能。

技术领域

本发明属于锂离子负极材料技术领域，具体涉及一种Na和Cl共掺杂锂离子负极材料及其制备方法。

背景技术

为了更好地应对日益严重的能源危机，锂离子电池(LIBs)在能量储存和转化方面开始发挥越来越重要的作用。然而，目前市场上锂离子电池一般采用石墨作为负极电极；但石墨存在率性能差、循环寿命短、形成固体电解质界面膜(SEI)等问题，存在严重的安全隐患。钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂,LTO)的尖晶石骨架结构具有“零应变”的特征，即在脱嵌锂过程中几乎没有体积膨胀和收缩。此外，稳定的电压平台(1.55V vs Li⁺/Li)不易产生锂枝晶，并形成具有良好循环稳定性和高热稳定性。因此，LTO被认为是具有潜力的负极材料。然而，LTO虽然有很多优点，但也存在理论比容量低(175mAh·g^-1)、倍率性能差等缺点，极大地限制了其商业发展。

为了解决钛酸锂负极材料容量低、倍率性能差等问题。现阶段主要通过离子掺杂实现，通过在Li、Ti或O位置上进入不同价态的阴阳离子使主骨架的价态不平衡，有目的地改变离子传输通道来提高锂离子的迁移浓度从而降低材料的电化学阻抗和电极极化，达到提高容量和改善材料离子电导率的目的。比如公开号CN 111916742A的专利记载了一种锡碳共掺杂的钛酸锂材料及其制备方法与应用，该技术在1C下首次充放电比容量是160mAh·g^-1，并未改善钛酸锂比容量低和倍率性能的问题。专利201910777416.7记载了一种共掺杂钛酸锂负极材料及其制备方法，做到了初始容量178mAh·g^-1，达到了LTO的理论比容量。目前对于同时改善钛酸锂比容量低和倍率性能差的问题，还未有突破性的进展，通常通过离子掺杂仅能改善其中一种缺陷。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供阴阳离子共掺杂Li₄Ti₅O₁₂负极材料，采用阴阳离子共掺杂的方法，提高了Li₄Ti₅O₁₂的容量的同时提高倍率性能。

为了实现上述技术目的，本发明具体采用以下技术方案：

一种阴阳离子共掺杂锂离子负极材料，所述阴阳离子为钠离子，所述阴离子为氯离子，所述的锂离子负极材料为Li₄Ti₅O₁₂。

阳离子掺杂能扩大钛酸锂的锂层间距，增加锂离子扩散速度，形成杂质相有利于提高材料容量。阴离子掺杂对电子电导率改善明显。Na⁺元素和Cl^-的共同掺杂，既提高了电池材料的容量，而且又改善了材料的倍率性能。

本发明中使用与Na⁺的离子半径相似、化学性质类似的金属离子，与Cl^-有类似性质的阴离子进行替代后也有可能达到类似效果。

在本发明的另一方面，提供了上述共掺杂锂离子负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)称取CH₃COOLi和NaCl溶解于去离子水中，搅拌均匀，加入CH₃COOH，得到L液体；

2)取钛酸四丁酯置于无水乙醇中配置T液体；