[发明专利]锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及新能源材料技术领域，特别是涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法。

【背景技术】

随着能源危机的日益严峻，调整能源结构已迫在眉睫。人们一方面通过开发新能源来满足不断增长的需求，另一方面则选择合理利用可再生能源。在开发利用可再生能源的过程中，电能储存技术发挥着重要的作用。为解决电力系统在电力生产和消费中出现的均衡性问题及满足风电、光伏发电等波动性较强的新能源电力并网需要，大规模储能电站呼之欲出。目前可用于储能领域的化学电源主要有铅酸电池、钠硫电池、液流电池和锂离子电池。其中，铅酸电池性能稳定，但寿命太短，且能量密度过小；钠硫电池须保证300℃的工作温度；液流电池能量密度太低。锂离子电池则因其优异的综合性能，而成为研究的重点。同时，锂离子电池因具有能量密度高等特点也成为电动汽车和混合动力汽车最具潜力的动力能源。车载锂离子电池市场于2009年出现后，锂离子电池在电动汽车中的应用已成趋势，各大国都斥巨资进行扶持，对中国而言，更是被当作汽车产业“弯道超车”的希望。电动汽车的发展将为锂离子电池产业带来意义深远的机会，不远的将来，锂离子电池的动力电池市场就会超越其在消费电了产品中的已有市场。

钛酸锂作为锂离子电池负极材料，可避免碳负极材料表面形成固体电解质膜和锂枝晶及锂离子电池在循环过程中由于体积变化造成的比容量衰减。钛酸锂的上述特点保证了钛酸锂锂离子电池极高的安全性能和循环寿命。此外，钛酸锂中锂离子具有三维网状扩散通道，其化学扩散系数约为2×10^-8cm²/s，几乎比石墨高一个数量级，适合快速充放电。因此，以钛酸锂作为负极材料的锂离子电池有望在大型储能电站和车用动力电池中得到应用。

尽管钛酸锂用于锂离子动力电池和大规模储能电池具有非常显著的优势，但目前钛酸锂存在的一些问题则严重阻碍了其商品化应用进程：1)钛酸锂的导电率低，因其固有电导率为10^-9S/cm，使其呈现出绝缘体的特征。当大电流充放电时，其富集的电子将通过极化效应反过来限制锂离子的插入和脱出，而使得材料电化学性能恶化。2)钛酸锂的高脱嵌锂电位带来电池的低电压(1.55V vs Li⁺/Li)，与钴酸锂、锰酸锂等常规正极材料相配合制备的锂离子电池电压仅约2.2V～2.5V，比以石墨作为负极材料的锂离子电池要低约1.5V左右。因此如何提高钛酸锂的导电性及降低其锂脱嵌锂电位成为改善钛酸锂性能的重要课题。

【发明内容】

本发明旨在解决上述问题，而提供一种电压高，安全性好，具有良好倍率充放电性能和更高能量密度的锂离子电池负极材料。

本发明的目的还在于提供一种所述锂离子电池负极材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供一种锂离子电池负极材料，该锂离子电池负极材料为可控价态钛酸锂，其化学式为：Li₄Ti(IV)_5-xTi(III)_xO_(12-x/2)，其中，0＜x＜5；IV、III分别为Ti的价态，该锂离子电池负极材料结构为尖晶石结构。

该锂离子电池负极材料的固有电导率为10^-3～10^-8S/cm。

该锂离子电池负极材料的嵌锂电位低于化学计量比的钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂的嵌锂电位。

该锂离子电池负极材料的嵌锂电位为1.50～1.55V。

该锂离子电池负极材料的可逆比容量为120mAh/g～170mAh/g，可实现1～20C倍率充放电。

该锂离子电池负极材料的外观颜色为蓝色。

本发明还提供了所述锂离子电池负极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

a、将锂源和钛源按锂、钛摩尔比Li∶Ti＝0.80～0.84∶1混合均匀；

b、将锂源与钛源的混合物在高温炉内以1～50℃/分钟的升温速度升温至600～1000℃，恒温3～72小时，随炉冷却至室温，得到化学计量比的钛酸锂纯相；

c、将钛酸锂纯相先加入重量百分比为0.5～10的添加剂及重量百分比为100～900％的溶剂，通过搅拌磨或者超细磨进行球磨混合，并通过加热蒸发干燥法、真空加热干燥法或者喷雾干燥法进行干燥，所述添加剂为葡萄糖、蔗糖、淀粉、聚乙烯醇、酚醛树脂、环氧树脂和糠醛树脂中的一种或者多种，所述溶剂为去离子水、乙醇或丙酮；