[发明专利]一种锂离子电池负极材料钛酸锂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钛酸锂制备方法技术领域，具体涉及用作锂离子电池负极材料的钛酸锂 及其制备方法。

背景技术

《精细化工》(2007：24，3，273-277页)介绍了一种固相合成钛酸锂的方法，按照 Li_3.85Mg_0.15Ti₅O₁₂中的锂与钛和镁的含量比例称取锂源、二氧化钛和氢氧化镁，充分研磨混 合后将混合物置于马弗炉中，在600℃煅烧4h后进行研磨，再在900℃煅烧12h后，自然 冷却至室温，置于研钵内粉碎研细后即得目标产物。该钛酸锂作为锂离子电池负极材料 使用时，其放电比容量较低，0.1C首次放电容量仅为144.9mAh/g，而且循环稳定性差。 《电源技术》(2008：131，5，389-392页)介绍的另一种固相合成钛酸锂的方法，按照 一定的摩尔比(其中Li₂CO₃过量8％，以弥补高温下的挥发)称量好后，加入适量的乙醇 作分散剂，研磨1h后加入一定比例的C，继续研磨1h；然后在85℃的烘箱中烘干，将混 合物在空气气氛下加热到800℃，恒温焙烧24h，升温速率2℃/min，随炉冷却后轻度研磨， 放入干燥器中备用。该制备方法虽然在钛酸锂的合成过程中加入了碳，但倍率放电性能 很差，在1mA/cm²和1mA/cm²的电流密度下放电，容量分别仅为120mAh/g和62mAh/g。 为提高钛酸锂材料的首次充放电比容量和倍率性能，目前大多采用纳米级碳材料和石墨 微粉包覆钛酸锂以改善钛酸锂的导电性。但由于石墨微粉对电解质比较敏感，会造成较 多的不可逆容量损失，且对大电流充放电的性能较差；而纳米级碳材料在混料过程中容 易产生团聚，难以分散，导致混料不均匀，影响了钛酸锂材料大电流放电的循环性能； 为防止制备过程中碳和空气中的氧气反应生成气体而挥发，还需采用惰性气氛保护，从 而使设备复杂、操作困难；且由于纳米碳和石墨微粉价格较贵，使现有钛酸锂产品在工 业化生产中成本较高。

发明内容

本发明的目的是提出一种锂离子电池负极材料钛酸锂及其制备方法，以克服现有技 术的上述缺陷，解决现有钛酸锂低的倍率放电比容量和循环稳定性较差问题，改善钛酸 锂倍率充放电的性能。

本发明的锂离子电池负极材料钛酸锂的制备方法，其特征在于：将二氧化钛和锂源 按5∶4.2的摩尔比混合，加入按二氧化钛和锂源总质量5-15％的碳有机物和2-5％的金属 化合物，然后加入酒精或丙酮将其调成浆糊状，球磨至均匀，将该混合物在70-100℃干 燥后，按照每分钟3-5℃的升温速率，在空气气氛中升温至600-750℃保温6-12小时，再 升温至800-900℃保温16-24小时，冷却后即得到可用作锂离子电池负极材料的钛酸锂。

所述锂源选自碳酸锂、乙酸锂或硝酸锂；

所述金属化合物选自氧化镁、乙酸镁、氢氧化镁、氧化铝、乙酸铜、氧化铜、五氧 化二钒、二氧化锡或硝酸银；

所述碳有机物选自葡萄糖、蔗糖、柠檬酸或冰糖。

由上述方法制备的本发明的锂离子电池负极材料钛酸锂，其特征在于可采用通式 Li_4-xM_xTi₅O₁₂表示，其中M为Mg、Ag、Al、V、Sn或Cu，0.05≤x≤0.3。

本发明的锂离子电池负极材料钛酸锂，其通式Li_4-xM_xTi₅O₁₂中的x若小于0.05时， 在离子取代过程中不能产生较多的电荷，因而起不到改善电导率的作用；当x大于0.3时， 通过X衍射分析，合成的材料含有较多的杂质，使合成钛酸锂的相不纯，会影响钛酸锂 材料的电化学性能。

由于本发明的制备方法在反应过程中加入金属化合物，由金属化合物取代钛酸锂晶 格中的锂离子位置，且掺杂金属的价态均≥+2价，使得部分钛离子的价态由+4转变为+3， 提高了该材料的电子导电能力，从而提高了钛酸锂的放电倍率和循环性能。

本发明的制备方法采取在混料阶段加入碳有机物，在加热过程中由于碳有机物的分 解产生活性碳，颗粒分散性好，从而使合成粉体组分分布均匀，减小了粉体材料的接触 电阻，提高了电导率，增强了钛酸锂的导电性能。