[发明专利]长寿命高功率锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学能源领域，尤其是一种用于长寿命高功率锂离子电池负极材料钛酸锂/碳纳米复合物及其制备方法。

背景技术

现代文明的发展和世界人口的不断增加，使全世界对能源的需求与日俱增。而随着煤炭、石油等传统一次能源供应的日益短缺，以及燃料能源引发的全球变暖和生态环境恶化等问题不断加剧，使能源问题受到越来越多的关注。探索清洁可再生的新能源已经成为当今科学世界的重要任务之一，成为关系着人类未来生存状况的重大课题。而其中超级电容和锂离子电池以各自优异的性能，得到人们广泛的关注。自问世以来，在诸多领域如电子，通讯，汽车等行业得到广泛的应用。

尖晶石型钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)由于其具有优良的安全性能和独特的结构稳定性(“零应变”材料)，可以克服传统碳材料的一些缺点，成为近年来研究的重点。从结构的角度看，Li₄Ti₅O₁₂是理想的嵌入型电极，它在充放电过程中由于锂离子的嵌入和脱出所造成的晶体结构和体积变化可以忽略，晶体结构能容纳大量的锂。通过限制充放电的深度，可以维持电极结构的完整性，并能获得较大的循环寿命。所以，尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂是极具应用前景的储能材料。

但由于Li₄Ti₅O₁₂的电导率极低(＜10～13S/cm)，这在一定程度上限制了该材料大倍率表现。同时也限制了该材料在高功率型锂离子电池和混合超级电容中的应用。因而如何提高材料在大倍率充放电时的放电比容量是许多研究人员一直努力攻克的难题。目前提高Li₄Ti₅O₁₂的倍率性能主要有两个途径：一是制备纳米颗粒的Li₄Ti₅O₁₂；二是导电金属掺杂，碳包覆等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种纳米级Li₄Ti₅O₁₂/C复合材，当该材料用于长寿命高功率锂离子电池负极材料时，能够获得优异的高倍率性能和循环性能。采用溶胶凝胶法合成Li₄Ti₅O₁₂/C复合材料；提供一种制备工艺简单，生产重现性好，材料电化学性能优异的制备方法。

本发明所采用的技术方案为：一种长寿命高功率锂离子电池负极材料，用以制成高倍率性能电池的负极片，所述的该负极材料为由钛酸锂和碳组成的复合物，所述的复合物为颗粒状，其颗粒尺寸为10nm～300nm，所述的该复合物中碳的质量为复合物总质量的3％～20％。

本发明还提供一种长寿命高功率锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)以钛酸四丁酯为钛源，锂源选自氢氧化锂、碳酸锂、氯化锂、硝酸锂、醋酸锂中的一种或两种以上的组合，先按锂、钛的摩尔比为4～4.5∶5进行配料，再用分散剂分别将钛源和锂源溶解均匀，之后将两者溶液混合均匀，并缓慢加入蒸馏水和冰乙酸进行搅拌，最后在上述的混合溶液中加入碳源，继续搅拌形成凝胶；

(2)将步骤(1)所形成的凝胶陈化10～20小时后放入干燥箱中，并在85℃环境温度下干燥10小时，干燥好之后用球磨机球磨3小时，然后将球磨好的固体粉末放置于管式炉中在惰性气氛中煅烧，煅烧温度为600℃～900℃，煅烧时间为1～8小时，然后自然冷却至室温，得到钛酸锂/碳复合物。

本发明所述的复合物颗粒尺寸在10nm～300nm范围内，该复合物中碳为无定型碳，碳的颗粒尺寸优选为10nm～200nm，所述的碳源采用导电碳黑、乙炔黑或其他导电能力优越的材料中的一种或几种的组合，从而提高导电性。

本发明所述的该复合物中碳的质量为复合物总质量的3％～20％，兼顾导电性和容量的考虑，优选为5％～15％，更优选为5％～10％，这是因为若碳含量过低，无法从根本上提高材料的导电性能，碳含量过高，就会降低整个复合材料的容量。

本发明所述的分散剂选用无水乙醇或丙酮。

本发明的有益效果是：1、材料制备过程简单，容易扩大生产规模；2、当该复合物作为超级电容和锂离子电池负极时表现出优异的大倍率性能和循环性能，因此该复合物在高功率型锂离子电池和混合超级电容中具有广泛的应用前景。

附图说明