[发明专利]钛系负极活性物质及其制备方法、钛系锂离子动力电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种动力电池用的锂离子电池负极材料及其制备方法，以及使用该负极材料的锂离子动力电池，特别是一种钛系负极材料及其制备方法，以及使用该钛系负极材料的锂离子动力电池。

背景技术

随着全球经济的稳步发展，汽车的产量急剧增加。燃油汽车所排放的废气造成大气环境污染，空气中的污染物63％来自于汽车尾气。环境问题，特别是空气质量的日趋恶化，已引起世界各国，尤其是发达国家的普遍关注。上世纪70年代全球三次石油危机爆发后，各跨国汽车公司先后开始研发各种类型的电动汽车。进入90年代，随着全球能源危机的不断加深，石油资源的日趋枯竭以及大气污染、全球气温上升的危害加剧，以美欧为主的一些西方国家开始制订并逐步执行严厉的汽车尾气排放标准。各国政府及汽车企业普遍认识到节能和减排是未来汽车技术发展的主攻方向，开发无排放或低排放、低油耗的清洁汽车势在必行，电动汽车的开发和应用将是解决这两个技术难点的最佳途径，低能耗、无污染的绿色汽车开始成为人们关注的热点。

目前使用和开发的电动汽车用动力电池主要有：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池。锂离子电池是一种在20世纪90年代初发展起来的、迄今为止最先进的可充电电池。锂离子电池具有工作电压高，为3.6V，能量密度高，分别是Cd/Ni和MH/Ni电池的3倍和1.5倍，自放电小，小于8％/月，寿命长及无记忆效应，对环境友好的优点，最有可能达到电动车的要求。自1991年索尼公司将锂离子电池技术推向市场至今，电极材料的进步一直在推动该项技术的不断发展，先进电极材料成为目前锂离子电池更新换代的核心技术。现有技术的锂离子电池作为动力电池用于电动车，存在如下不足：(1)快充问题十分突出，汽车在正常行驶时，现有锂离子电池的放电倍率完全能满足，但在制动过程中，制动过程短暂，一般不超过10s，电机需求较大的瞬间电流，以有效制动和回收能量，理论上汽车有50～60％的制动能量可回收，而实际回收的制动能量<20％，现有锂离子电池的放电倍率，尤其是充电倍率难以达到电动汽车快充快放的基本要求。(2)安全性是车载锂离子电池走向实用的关键因素，安全问题制约动力电池的发展，现有技术锂离子电池用正负极材料安全性低，主要有以下四个原因：a.传统锂离子充电电池正极材料为LiCoO₂、石墨为负极材料，正极材料在150℃左右会分解析出氧气，并与电解液发生反应，导致异常发热现象；b.锂离子在碳基材料的嵌入电位接近金属锂的还原电位；c.不能进行大倍率充放电；d.电压曲线上没有充电结束指示，不适合于电动车用动力电池。

作为锂离子电池用负极材料，非碳负极材料因为具有高的能量密度和安全性能日益受到研究者重视。非碳材料钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂具有尖晶石结构，空间群Fd3m，用作负极材料时，充放电过程中体积和结构变化小(石墨的体积膨胀率通常为9％左右，充放电时温度的反复变化，容易导致光滑表面受损，使用寿命一般400个充电周期左右)，是零应变材料，因而具有优良的循环性能，钛酸锂负极凹凸不平的表面可使电池充电次数最高达到2万次，其尖晶石结构利于锂离子的嵌脱，电压平台位于1.5V(vs.Li/Li⁺)附近，不易引起金属锂析出，能够进行大电流充放电，解决了枝晶问题，电池单元能够避免热失控现象。与通常的石墨不同，Li₄Ti₅O₁₂与电解液之间的界面上不会形成固态电解质界面SEI薄膜，因此，内阻不会增加。此外钛酸锂具有明显的充放电平台，充放电结束时有明显的电压突变，具有良好的耐过充性能和耐过放性能。由于内阻较低，可以与不同的电解液搭配，因此低温下的放电特性优异。尖晶石型钛酸锂适合于电动车用动力电源，其理论嵌锂容量为175mAh/g，实际比容量在120～130mAh/g之间。钛酸锂用作负极材料存在如下不足：1、容量低、堆积密度低、压实密度低、体积比容量低；2、大倍率性能尚需提升；3、产品一致性差和电池加工性能差；4、易吸水，电池易气胀。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛系负极活性物质及其制备方法、钛系锂离子动力电池，要解决的技术问题是提高锂离子动力电池的倍率性能、安全性能、循环寿命和环保性能。