[发明专利]一种核壳结构的钛基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种核壳结构的钛基复合材料及其制备方法和应用。本发明通过纳米钛酸锂壳体在铌酸钛表面的均相包覆有效地抑制SEI膜在铌酸钛表面的形成，提升铌酸钛负极首次充放电效率，且提高了铌酸钛的Li⁺扩散系数，降低电极材料与电解质之间的界面阻抗，提升铌酸钛倍率性能。将本发明所制得的核壳结构钛基复合材料作用于锂离子电池，可以呈现出优异的首次充放电效率以及良好的倍率及循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种核壳结构的钛基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

石墨类碳材料是目前商业化锂离子电池主要负极材料，但由于传统石墨负极由于锂的嵌入能力较差，容易在表面沉积锂形成锂枝晶，对电池的循环性能和安全性能造成较大的影响。其次，石墨类碳材料较低的锂离子扩散系数，锂离子在大电流充放电时不能快速扩散，高倍率性能差强人意，这显然无法满足动力对锂离子电池大功率、高安全性的要求。而硅碳材料由于较低的首次充放电效率(-80％)以及较大的体积膨胀(-300％)成为当前实现大规模应用的难点。钛基氧化物材料中，尖晶石结构Li₄Ti₅O₁₂，由于在Li⁺嵌入和脱出过程中，其晶体晶格几乎不变，称为“零应变”材料，在一些特定领域中实现商业化应用。但是其实际应用中存在较低的理论容量(-175mAh/g)，以及循环过程中胀气的缺陷。设计和开发一种新型的锂离子电池负极材料非常具有意义和必要性。

铌酸钛是一种新型的负极材料，由于铌酸钛具有多个氧化还原对，每个铌酸钛晶格可嵌入五个锂离子，从而导致可嵌入的锂离子容量更高，具有更高的理论容量(-387mAh/g)，铌钛氧化物与Li₄Ti₅O₁₂性质相似，有相对安全的充放电平台(-1.6V)，并且Li⁺嵌入、脱出过程中材料结构相对稳定因此，铌酸钛负极材料成为快充型锂离子负极材料的研究热点。但铌酸钛作为负极材料会在其表面形成SEI膜，使得其首效偏低。此外，由于铌酸钛的能带间隙较宽(-2.9eV)，且其中Ti⁴⁺和Nb⁵⁺都处于最高价态，没有未成对电子，导致材料导电性及差，几乎绝缘。此外，铌酸钛的Li⁺扩散系数也较低，导致铌酸钛负极材料与电解质之间的界面阻抗较大。由于以上两方面的缺陷，导致铌酸钛负极材料的电子电导率和离子电导率较低，从而限制了其电化学性能。

中国专利申请文件(公开号：CN110311130A)提供一种核壳结构铌酸钛/钛酸锂复合材料，该发明通过其主要通过制液、包覆和干燥的工序将铌酸钛和钛酸锂进行喷雾混合可以提高铌酸钛负极的倍率性能，但由于仅是颗粒之间的混合，包覆层的均匀性无法保证，并不能较好的隔断钛酸锂的产气反应。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种纳米钛酸锂均匀包覆、大幅度提升首次库伦效率和铌酸钛倍率性能的钛基复合材料。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：

一种核壳结构的钛基复合材料，所述钛基复合材料以纳米钛酸锂为壳体包覆铌酸钛内核，复合材料具体包括如下质量百分比的成分：50-65％铌酸钛、35-50％钛酸锂。

本发明需要控制复合材料中铌酸钛与钛酸锂的含量，钛酸锂含量偏低会导致包覆层均匀性较差，不能有效的阻碍电解液与铌酸钛表面反应，导致复合材料循环稳定性能较差；钛酸锂含量偏高会致使复合材料比容量降低明显，循环稳定性提升幅度不大。

在上述的一种核壳结构的钛基复合材料中，所述钛基复合材料比表面积为1-10m²/g，中值粒径为4-5μm，pH为10-11。本发明中钛基负极材料如果比表面积＞10m²/g，粒径较小时，浆料流动性较高，极片涂布较困难，比表面积＜1m²/g，或者粒径较大时，浆料涂布时颗粒较多，极片涂布困难，pH的增加会降低浆料稳定性，从而导致浆料加工性能变差。