[发明专利]离子掺杂球形Li4Ti5O12/C锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，涉及一种锂离子电池负极材料，特别是涉及一种离子掺杂球形Li₄Ti₅O₁₂/C锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是新一代的绿色高能电池，广泛应用于移动电话、笔记本电脑等中小容量、中低功率领域，技术已趋于成熟。今后，锂离子电池的发展方向是高功率动力电池和高容量储能电池，作为动力电池和储能电池，它必须具有低成本、高安全性、长循环寿命、绿色无毒的特点。电池的发展需要在电极材料上取得重大突破。

目前商品化的锂离子电池负极材料大多采用石墨化碳材料。但该材料与电解液相容性较差，与电解液作用形成的SEI膜热稳定性较差，可能导致安全性问题，从而限制了锂离子电池在动力电池以及对安全性要求较高的领域中的应用。尖晶石型钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)以其优良的高安全性和结构稳定性近年来越来越引起研究人员的关注，是一种无应力插入材料，在充放电过程中几乎不发生结构改变；有很好的充放电平台；首次充放电效率高；与电解液有很好的相容性和热稳定性；价格便宜，容易制备。但是该材料存在导电性差和堆积密度低的问题，从以前的研究成果来看，人们通过合成纳米尺寸的颗粒及与导电材料复合在较大程度上改善了材料的导电性，并通过合成球形颗粒大大提高了材料的堆积密度。通过离子掺杂可提高材料的导电性，但普通的离子掺杂很难获得较高的循环比容量和高的循环容量保持率。

发明内容

本发明的目的是提供一种离子掺杂球形Li₄Ti₅O₁₂/C锂离子电池负极材料及其制备方法。

本发明提供的制备离子掺杂球形Li₄Ti₅O₁₂/C锂离子电池负极材料的方法，包括如下步骤：

1)将锂源化合物和碳源化合物均匀分散在离子掺杂的水合氧化钛溶胶中，喷雾干燥得到球形粉体；

2)在惰性气体保护下，将所述球形粉体进行热处理，得到所述离子掺杂球形Li₄Ti₅O₁₂/C锂离子电池负极材料。

上述制备方法的步骤1)中，所述锂源化合物选自LiCO₃、LiNO₃和LiOH·H₂O中的至少一种；所述碳源化合物选自蔗糖、葡萄糖、碳纳米管、酚醛树脂、聚丙烯腈、聚丙烯酸、聚乙二醇和聚乙烯醇中的至少一种；所述离子掺杂的氧化钛溶胶中，所述离子选自La³⁺、Y³⁺和Mn²⁺中的至少一种。所述锂源化合物中锂元素与所述离子掺杂的氧化钛溶胶中钛元素的摩尔比为3.95～4.05∶5；所述碳源化合物中碳元素与所述钛离子掺杂球形Li₄Ti₅O₁₂/C锂离子电池负极材料的质量百分比为5-30％，优选20％。喷雾干燥步骤的进口温度为200-320℃，优选280℃；出口温度为80-120℃，优选100℃。此外，所述离子掺杂的氧化钛溶胶是按照包括如下步骤的方法进行制备的：将钛盐化合物与掺杂离子化合物溶于去离子水中混匀后，调节pH值至10，反应完毕得到所述离子掺杂的氧化钛溶胶。所述掺杂离子化合物中的掺杂离子元素与所述钛盐化合物中钛元素的摩尔比为0.1～3∶100，具体可为0.1∶100、3∶100、1∶100、0.1-1∶100或1-3∶100，优选1∶100。

所述步骤2)中，所述惰性气体选自氮气和氩气中的至少一种。热处理步骤的温度为600℃～900℃，优选800℃；热处理步骤的时间为6～20小时，优选16小时。

按照上述方法制备得到的离子掺杂球形Li₄Ti₅O₁₂/C锂离子电池负极材料及该材料在锂离子电池负极材料和制备锂离子电池中的应用，也属于本发明的保护范围。