[发明专利]用于锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法，尤其是指一种用于锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、无记忆效应、安全无污染等特点，目前广泛应用于便携式通讯设备、航空航天、空间军事、储能设施等领域。目前，便携式电子设备、EV(电动汽车)、HEV(混合电动汽车)以及空间技术的迅猛发展，对二次电池在比容量、循环寿命、安全性等方面提出了更高的要求。改进和提高电池的电化学性能可从电极材料、电解质等多方面入手。

目前商业化锂离子电池的负极材料是碳素材料，由于插锂后碳电极的电位与金属锂的电位很接近，而且，大多数的电解液在此电位下不稳定，并且电解质易在电极表面分解。当电池过充时，碳电极表面易析出非常活泼的金属锂，它与电解液反应产生可燃气体混合物。在极限情况下，过量的锂化碳阳极会着火而产生爆炸，因而给电池、特别是动力电池造成很大的安全隐患。同时，石墨电极还存在电解液的共插入问题，这也将影响电极的循环稳定性。此时，寻找比碳负极稍正的电位下嵌入锂、廉价易得、安全可靠的新型负极材料是必要和迫切的。其中低电位过渡金属氧化物及复合氧化物作为锂离子电池的负极材料引起了人们的广泛注意，Li₄Ti₅O₁₂是其中广受关注的材料之一。

新型负极材料Li₄Ti₅O₁₂电极的理论比容量为175mAh/g，相对于锂的电压平台为1.5V，高于大多数电解质的还原电压，所以Li₄Ti₅O₁₂用作锂离子电池负极材料具有非常好的安全性能。与LiMn₂O₄或者LiCoO₂电极组成电池可以提供2.5V左右的电压，是镍镉或者镍氢电池的2倍。另外，锂嵌入和脱嵌时，Li₄Ti₅O₁₂的晶胞参数和体积变化很小，是一种零应变材料，所以，Li₄Ti₅O₁₂具有优越的循环性能，充放电效率几乎是100％。因而Li₄Ti₅O₁₂是一种安全性高、循环性能优良的锂离子电池负极材料。

目前钛酸锂的合成方法大多采用高温固相法和溶胶-凝胶法。

钛酸锂的高温固相合成工艺与其他金属复合氧化物相似，通常以TiO₂和LiOH.H₂O(或LiCO₃)为原料，通过高温(800—1000℃)、长时间的热处理形成产物。高温固相法操作简单，易于推向工业化。但缺点也是显而易见的，如能耗高，产物颗粒尺寸大等。

溶胶-凝胶法由于具有合成温度低，颗粒尺寸小，均一性好，比表面积大等优点而逐渐被广泛采用。但溶胶-凝胶法需要用昂贵的有机醇盐作为前驱体，而且工艺复杂，因此难以实现大规模工业生产来满足能源领域的大量需求。

发明内容

本发明主要针对高温固相合成Li₄Ti₅O₁₂负极材料过程中温度高、时间长、能耗高的缺点和溶胶-凝胶合成过程中工艺复杂成本较高的缺点，提供了一种采用低温离子扩散反应制备Li₄Ti₅O₁₂材料的方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

本发明用于锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂的制备方法如下：

A、前躯体的制备

将二氧化钛或偏钛酸均匀分散于浓度为1～20mol/L的LiOH水溶液中，其中锂、钛物质的量比为Li∶Ti＝(10～100)∶1，在均匀搅拌的条件下升温至60～150℃，反应6～72小时；将所得产物水洗至pH＝7～8，过滤，干燥得锂钛氧前躯体。

B、最终产物的制备

将制备好的前躯体在500～800℃焙烧3～12小时得最终产物Li₄Ti₅O₁₂。

上述用于锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂的制备方法，作为优选，所述的均匀搅拌的条件下升温至80～120℃。