[发明专利]一种用于锂离子电池负极的磷酸钛锂材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料和制备技术领域，尤其是一种用于锂离子电池负极的磷酸钛锂材料及其制备方法。

背景技术

全球环境的不断恶化和能源供应的持续紧缺是21世纪人类必须面临最严重的两大问题，开发应用新能源和可再生清洁能源已经刻不容缓。锂离子二次电池作为新型的绿色电池，自从1990年问世以来发展相当迅速。与常用的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等二次电池相比，锂离子二次电池具有开路电压高、能量密度大、自放电率低、使用寿命长、无污染以及安全性能好等独特的优势，应用范围越来越广泛。

锂离子电池的负极材料是保证锂离子电池优良性能的关键之一。目前商业化的锂离子电池负极材料主要是碳材料，其中主要有石墨和焦炭。碳负极材料具有大的比容量、高度可逆性的脱嵌锂反应、良好的化学稳定性和充放电特性等优点。它的缺点主要是对锂电位低，一般在0～0.2V间。采用碳材料作为负极时锂离子电池在过充和高倍率充放电时容易在电极表面析出金属锂，引起电池内部的短路，产生大量的热，使电池起火甚至发生爆炸，由此带来了严重的安全隐患。对于各种锂合金Li_xM(M＝Si、Sn、Ge等)材料作为锂离子电池负极材料言，锂合金材料虽然可以避免锂枝晶生长，有效地提高电池安全性。但是锂合金在脱嵌锂反应过程中，材料的体积变化较大，导致电极材料在充放电循环过程中逐渐粉化，循环性能较差。

磷酸钛锂作为锂离子电池负极材料时其理论容量有138.3mAh/g，该材料具有价格低廉，环境友好，结构稳定，化学相容性好，电化学反应平台稳定(2.45V左右的充放电平台)等优点，可与现在广泛研究的正极材料LiMn₂O₄，LiCoO₂等形成水性锂离子电池，提高电池的安全性能，降低电池成本。但是LiTi₂(PO₄)₃负极材料的合成和实用化过程中也存在一些问题：

1、由于材料电导率的低下，导致其充放电过程中极化现象严重，材料的电化学性能差。2、LiTi₂(PO₄)₃材料合成时需要进行多次热处理和研磨，如E.等人(E.T.A.Dindune，et.La-dopedLiTi₂(PO₄)₃ceramics，Solid State Ionics，2008，179：51-56)以Li₂CO₃、TiO₂和NH₄H₂PO₄为原料制备LiTi₂(PO₄)₃材料时，经过了四次球磨和三次焙烧制备，其制备工艺较为复杂，成本颇高。

发明内容

本发明提供了一种化学相容性好，电化学反应平台稳定，环境友好的磷酸钛锂-碳材料，该材料可用于制备锂离子电池负极。本发明还提供了上述磷酸钛锂材料的制备方法。

一种用于锂离子电池负极的磷酸钛锂材料，磷酸钛锂的结构为NASICON结构，分子式为Li_xTi₂(PO₄)₃，其中x为1～1.05。

优选的磷酸钛锂材料的组成为：NASICON结构的磷酸钛锂的含量为90wt％～100wt％，碳的含量为0-10wt％；

一种用于锂离子电池负极的磷酸钛锂材料的制备方法，包括以下步骤：

1)原料前驱体的准备和混合：将含锂化合物、二氧化钛和含磷化合物按锂、钛、磷的化学计量比(1～1.05)∶2∶3的比例称量；按球料质量比5∶1混料在行星式球磨机上以150～300r/min的转速球磨6～24小时，得到粉状前驱体；

2)高温焙烧处理：将步骤1)所得的粉状前驱体在800℃～1000℃温度下恒温焙烧8～20小时，自然冷却得到白色的磷酸钛锂盐；

3)二次球磨：将步骤2)所得的磷酸钛锂盐和有机物按质量比1∶0.2～0.02称量混合；按球料质量比5∶1混料在行星式球磨机上以150～300r/min的转速球磨6～24小时得到粉状的前驱体；