[发明专利]一种尖晶石复合材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种尖晶石复合材料及其制备方法和用途，具体而言，本发明涉及一种含有碳氮化合物的尖晶石复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

锂离子电池目前已经广泛用于各种便携式设备，并已小批量用于电动车和储能电池组等，这些应用也同时对锂离子电池的各项性能的要求越来越高，比如高能量密度、高功率密度、倍率性能、循环稳定性、安全性等。目前市售电池中用的正极材料主要为LiCoO₂、LiMn₂O₄等，负极材料主要为石墨类碳材料。近年来，尖晶石Li₄Ti₅O₁₂作为负极材料，以其安全的电压范围、良好的循环性能引起了人们极大的兴趣。然而，由于Li₄Ti₅O₁₂本身是绝缘体，电子电导率低，在大电流充放电时电池的容量远低于其理论容量。

为了解决这一问题，目前主要有三种方法：第一种方法是减小材料的颗粒尺度或形成一种多孔材料；第二种方法是异质原子掺杂，如Mg²⁺、Cr³⁺离子的掺杂；第三种方法是对材料颗粒表面进行碳包覆。目前，碳包覆技术被广泛用于锂离子电池正、负极材料的改性，包覆层中仅含有碳。例如ZaghibK(2003)等人公开了尖晶石Li₄Ti₅O₁₂表面包覆碳的方法(参考Guerfi A，Sevigny S，Lagace M，Hovington P，Kinoshita K，Zaghib K，JOURNAL OFPOWER SOURCES，2003，119，88-94)，改善了颗粒之间的电子接触，提高了材料的电子电导率，极大地改善了Li₄Ti₅O₁₂的电化学性能。

虽然这些改进确实改善了材料的倍率特性，但在电池的实际应用中，特别是在大功率和长寿命电池的应用中，例如超过10C的充放电(相当于6分钟电池全充全放)时，要求材料的倍率性能非常高，容量保持率须在80％以上，同时要求循环在几千次以上，这就要求电极材料同时拥有较高的电子电导率和离子电导率，以及保持颗粒之间良好的电接触，还要有高的界面稳定性，而采用上述改进方法得到的材料不能满足以上要求。

发明内容

本发明的目的是：为了克服现有的Li₄Ti₅O₁₂尖晶石类材料作为二次锂电池和电化学超电容器电极材料时的电子电导率和离子电导率低，采用目前现有的技术方法不能同时提高材料的倍率性能和循环性能的缺点，本发明提供一种尖晶石复合材料，该复合材料通过引入含有碳氮的高导电化合物大幅提高了材料的倍率性能和循环性能。本发明还提供上述复合材料的制备方法和用途以及采用上述复合材料制备的负极和锂电池。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种尖晶石复合材料，该复合材料具有以下通式：

C_xN_y-(L_aM′_b)₄(M_cM″_d)₅O_12-eA_f，

其中，C_xN_y为含有碳氮的化合物；

L选自Li和Na中的一种，优选地L为Li；

M′选自Na、Mg、Al、Si、K、Ca、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Ag、In、Sn、La、Ce、Ta、W、La和Ce中的一种；

M选自Ti、Mn和Mo中的一种；

M″选自Li、Na、Mg、Al、Si、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Y、Zr、Nb、Mo、Ag、In、Sn、Ta、W、La和Ce中的一种；

A选自N、F、P和S中的一种；

M与M″不同时为一种元素；

x、y、a、b、c、d、e和f为摩尔百分比，且0＜x＜1，0＜y＜1，0＜a≤1，0≤b＜1，0＜c≤1，0≤d＜1，0≤e＜4，0≤f＜4。