[发明专利]一种高致密结构纳米钛酸锂材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种高致密结构纳米钛酸锂材料及其制备方法，属于锂离子电池技术领域。本发明公开了一种高致密结构纳米钛酸锂材料，所述的材料原料包括钛源、锂源、表面及体相改性剂、高分子改性剂；其中，表面及体相改性剂的加入量占钛源及锂源总重量的0.05％‑0.5％，高分子改性剂的加入量占钛源及锂源总重量的1％‑5％。本发明还公开了一种高致密结构纳米钛酸锂材料的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：钛源、锂源依次分散于含有表面及体相改性剂和高分子改性剂的混合溶液中，再进行研磨、超声分散处理，然后将纳米前驱体浆料进行喷雾干燥造粒，得到纳米钛酸锂前驱体粉末；经过煅烧后得到纳米钛酸锂材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，涉及一种高致密结构纳米钛酸锂材料及其制备方法。

背景技术

作为锂离子动力及储能锂离子电池用新型负极材料—钛酸锂 (Li₄Ti₅O₁₂)具有鲜明的性能优势。首先，钛酸锂作为一种“零应变材料”，在充放电过程中体积应变小于1％，因此具有非常良好的循环性能。其次，其放电电压较为平稳，不会对电解液形成分解作用，使锂电池整体安全性能得以提升。然后，钛酸锂材料比碳材料的锂离子扩散系数更高，能够数分钟完成充电，即便是在低温环境条件下快速充电也难以析出锂枝晶，因此可以实现高倍率的充放电；最后，钛酸锂的电势更高，通常不会导致锂枝晶的出现，从而为电池整体使用性能和安全性提供保障。因此，钛酸锂为负极的锂离子电池具备超高的安全性、超长的循环性、宽泛的工作温度等优势，是目前锂电池生产见到的各种类型的锂离子电池中安全性最高的，较适合作为电动汽车、电网调峰、光伏空调供电等大规模储能领域。

然而，钛酸锂作为锂离子电池负极，其商业化进展进程受到自身劣势的影响。首先，由于其Ti3d轨道的带隙能量～2.0eV，近似于表现出绝缘体的导电性能，使其在高倍率应用中表现不佳；并且钛酸锂在实际使用电压范围内无法形成像碳负极一样稳定的SEI膜来抑制产气反应的发生，因此在充放电过程中电解液始终与钛酸锂表面直接接触，使得电解液在钛酸锂表面持续还原分解，这是导致电池胀气的根本原因；此外，钛酸锂材料自身较低的理论容量(175mAh/g)限制了其实际应用。事实上，目前的钛酸锂材料存在高倍率性能差、容量低等不足，并且由钛酸锂材料组装的电池存在胀气等安全因素，阻碍了以钛酸锂为负极的锂离子电池的商业化应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种内部结构致密、孔径分布均匀、结晶性好的高致密结构纳米钛酸锂材料。

本发明采用下列技术方案：一种高致密结构纳米钛酸锂材料，所述的材料原料包括钛源、锂源、表面及体相改性剂、高分子改性剂；其中，表面及体相改性剂的加入量占钛源及锂源总重量的0.05％-0.5％，高分子改性剂的加入量占钛源及锂源总重量的1％-5％。

本发明使用表面及体相改性剂对钛酸锂进行表面修饰及体相掺杂，改善钛酸锂表面碱性，降低自身pH值，同时进行体相掺杂提升其结构稳定性及导电性。

作为优选，所述的钛源、锂源的Li/Ti摩尔比为4:(4.5-5.0)。

进一步优选，所述的钛源、锂源的Li/Ti摩尔比为4:(4.7-4.9)。

作为优选，所述的钛源为二氧化钛，晶型为锐钛矿型、金红石型和无定形中的一种。

进一步优选，所述的钛源中值粒径为0.2-2μm。

作为优选，所述的锂源为碳酸锂、一水合氢氧化锂、醋酸锂、硝酸锂、氯化锂、硫酸锂中的一种或多种。

进一步优选，锂源为碳酸锂和一水合氢氧化锂的混合物，且碳酸锂和一水合氢氧化锂的摩尔比为1:(2-3)。

作为优选，所述的表面及体相改性剂包括五氧化二铌、五氧化二钽中的一种或多种。