[发明专利]一种锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料和电化学领域，具体涉及一种充放电的Li₂CoTi₃O₈锂离子电池负极材料及其制备方法。

技术背景

随着科技的进步，各种数码产品得到了日益普及和发展，同时困扰全球的环境污染问题和化石燃料的紧缺问题促使了电动汽车的快速发展。能源的大量消耗和日益严峻的能源危机促使着人们将目光投向了新能源材料的研究和开发中，数码电子技术以及高科技的信息技术等的发展对供电系统的能量密度、使用寿命、安全性等多方面提出了更高的要求。二次储能锂离子电池的出现从根本上改变了如今人们的日常生活，自1990年日本索尼公司率先研制成功了锂离子电池以来，锂离子电池由于具有电压高（4 V）、能量密度高、自放电小、循环寿命长、污染小和无记忆效应等优点，目前已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等便携式电子设备中。作为电源更新换代产品，锂离子电池还将在电动汽车、卫星和航天等领域得到广泛应用。

目前商业化的负极材料大多为石墨类碳材料。但是，由于碳电极的电位与金属锂的电位很接近（100 mV vs. Li⁺/Li)，当电池过充电时，碳电极表面易析出非常活泼的金属锂，形成“枝晶”，“枝晶“的产生会刺破隔膜，引发电池内部短路，产生大量的热导致电池的安全性问题。所以碳负极并没有很好解决金属锂作为负极所带来的安全性问题；此外，对于石墨类碳电极来说，其充放电过程中溶剂共嵌入情况会直接影响电解液的选择范围，从而影响材料的长远发展。为了满足今后负极材料的需求，越来越多的新型负极材料进入到人们的视野。目前对于负极材料来说，研究的热点主要在于开发具有高比容量以及高安全性能的新型负极材料，例如Sn，Si，Sb以及其氧化物等材料和二元钛的复合氧化物材料。对于Sn基以及Si基材料来说，虽然其具备很高的理论比容量，但是在充放电过程中体积的巨大变化易导致电极材料的粉化，导致材料与集流体失去电接触，材料的循环稳定性恶化，故而研究此类材料的热点在于如何提高其循环稳定性上。此外，对于二元钛的复合氧化物Li₄Ti₅O₁₂来说，虽然其理论比容量相对较低，但是由于其高且平坦的锂离子嵌脱电位和充放电过程中体积变化小等优势，使得此材料剧本非常优异的工作安全性和循环稳定性。然而，Li₄Ti₅O₁₂材料依然存在着其低电子电导率的固有缺陷，从而在一定程度上制约了其倍率性能的发挥，所以目前的研究热点在于体相掺杂，引入第二相导电材料以及材料颗粒的纳米化来提升材料的大电流充放电特性。

早在1998年，英国的Aberdeen大学的Kawai研究小组就对三元钛的复合氧化物Li₂CoTi₃O₈材料进行过晶体结构的相关研究（H. Kawai, et al., Journal of Materials Chemistry, 8 (1998): 1273-1280）。到2011年，福州大学的M.D. Wei研究小组通过采用纳米TiO2和乙酸钴为原料，采用固相合成法制备出Li₂CoTi₃O₈材料纳米线，研究结果表明Li₂CoTi₃O₈纳米线可以作为一种新型的锂离子电池负极材料，表现出了良好的循环性能和倍率性能，作为对比，M.D. Wei研究小组还制备了纯相Li₂CoTi₃O₈纳米颗粒材料，但是其电化学性能并不优异（Z.S. Hong, M.D. Wei, et al., Energy & Environmental Science, 4 (2011): 1886-1891）。

发明内容

本发明的目的在于提供一种颗粒细小、粒径分布均匀、形貌规整、具有较高比容量和循环稳定性的Li₂CoTi₃O₈锂离子电池新型负极材料（三元钛的复合氧化物）的制备方法。

一种锂离子电池复合负极材料的制备方法，其特征在于：它是由柠檬酸燃烧法结合后期低温热处理制备纳米级颗粒，具备良好的电化学性能。

其具体步骤为：