[发明专利]一种Li4Ti5O12/C复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳掺杂钛酸锂复合材料及其制备方法，特别是涉及一种无外加碳源一步固相烧结合成锂离子电池用Li₄Ti₅O₁₂/C复合材料的制备方法。

背景技术

作为未来的清洁能源之一，锂离子电池因其具有平台电压高、体积小、重量轻、无记忆效应，可靠性好等优点，而广泛应用于计算机、手机、照相机等电源领域，且目前已应用于电动车及混合电动车，被认为是未来绿色的清洁能源而大规模开发。目前已大规模用于商业化的负极材料主要是石墨类碳负极材料。石墨类碳负极材料研究早，技术成熟，循环寿命好，且廉价无毒，但制备工艺复杂，且碳材料的氧化还原电位接近金属锂，当电池过充电时，金属锂可能在负极表面产生枝晶，从而刺穿隔膜导致电池短路和热失控。而尖晶石型钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）因其在锂离子嵌入和脱出前后体积变化小，具有“零应变”结构，同时，其平坦的充放电平台（1.55V vs. Li/Li⁺）、循环性能好、安全，容易制备等优点使其作为动力锂离子电池的负极材料有着很大的研究价值和商业应用前景。但Li₄Ti₅O₁₂材料电子和离子电导率较低（分别为10^-13S·cm^-1和10^-9~10^-13cm²·s^-1），为绝缘体材料，在大电流放电条件下容量衰减快，倍率性能差，严重限制了其大规模应用。为了解决以上缺点，研究者们对其进行了深入研究和改良，这些改良主要包括制备小粒径Li₄Ti₅O₁₂，离子掺杂，金属掺杂，碳掺杂及包覆，或与其他电极材料合成复合电极材料。

Seung-Woo Han等（Han S W, Shin J W, Yoon D H. Synthesis of pure nano-sized Li₄Ti₅O₁₂ powder via solid-state reaction using very fine grinding media, Ceramics International, 2012, 38(8): 6963-6968.）以Li₂CO₃和TiO₂为原料，经高能球磨混合后煅烧，得到粒径为146nm的纳米Li₄Ti₅O₁₂。该法制得的钛酸锂在0.1C低倍率下的放电量达到了174mAh/g，但其比容量较低，在高倍率下的性能也并不理想，远不能满足现在对锂离子电池的要求。Jianhong Liu等（Liu J, Sun Z, Xie J, et al. Synthesis and Electrochemical Properties of LiNi_0.5-xCu_xMn_1.5-yAl_yO₄(x= 0, 0.05, y= 0, 0.05) as 5V Spinel Materials, Journal of Power Sources, 2013, 240(15): 95-100.）通过掺杂Cu、Mn、Ni、Al等元素，合成了LiNi_0.5xCu_xMn_1.5yAl_yO₄复合负极材料，所的材料具有优秀的循环性，但金属的添加必然带来环保问题和成本的上升。而碳材料由于具有电导率高、灵活性好、易制备和成本低等优点，已成为改进Li₄Ti₅O₁₂材料的最佳物质。目前所有研究几乎都是集中于通过采用额外加碳源的方法，分多步来合成Li₄Ti₅O₁₂/C复合材料。