[发明专利]用于高倍率锂离子电池的、具有分级微/纳米结构的金属/非金属共掺杂的钛酸锂球体

说明书

本申请要求于2013年5月14日提交的第61/855,341号美国临时专利申请的权益，该美国临时专利申请的内容通过引用包含于此。

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池，具体涉及用于锂离子电池的阳极材料以及用于制造所述阳极材料的方法。

背景技术

锂离子电池(LIB)作为对于传统的汽油或柴油动力的内燃机的潜在替代品已经引起巨大的关注。钛酸锂氧化物作为用于LIB的改进的阳极材料，Li₄Ti₅O₁₂(LTO)由于其在充电/放电过程中稳定的结构以及其对于在LTO表面上形成固体电解质界面(SEI)的惰性，因此在安全方面具有良好的特性。

而且，对于需要高倍率性能和长循环寿命的某些利基应用来说，LTO是具有前景的阳极材料并且在功率和化学稳定性方面具有优势。LTO的缺点是其电子导电率低，在高充放电倍率下该低电子导电率限制了其全容量。增加LTO的电子导电率可促进LTO阳极的更高倍率操作性。

在本领域众所周知的是，在纳米粒子中Li⁺离子更短的扩散长度和电传输提高了锂电池阳极的高倍率性能。LTO的形态也已经被认为是电极材料的锂嵌入活性和循环稳定性中的关键因素。

目前用过固态反应法来合成大部分传统的LTO材料，该固态反应法需要在高温(通常为700-900℃)下长时间加热，并且该方法耗能。而且，该方法无法控制粒子的尺寸和形态。另一方面，利用诸如AAO、三嵌段共聚物、多孔硅和聚苯乙烯球体的各种模板前体(template precursor)能够制造纳米材料。这些制备方法经常要求在合成之后除去模板，这会损坏纳米材料所期望的结构并且使合成工序变得更加复杂。

作为用于LIB的改进的阳极材料，LTO表现了在约1.55V(vs.Li/Li+)下非常平坦的放电及充电平台和零应变嵌入特性，并且表现非常优异的锂离子迁移率，因此LTO完全消除了潜在的安全问题并且体现出优异的循环性能。然而，其电子导电性低(<10^-11S/m)导致倍率性能差。已经开发出诸如用导电材料涂覆表面的很多办法以克服其低的电子导电性。

近来，由于锂离子和电子的更短的传输路径长度，希望纳米结构的LTO表现出改进的倍率性能。介孔结构的材料提供了快速离子/电子传递并提供了活性材料与电解液之间充足的接触界面，造成高Li存储容量和高嵌入率。

由“纳米尺寸的”LTO所构成的、并且与“具有导电碳的涂层”结合的新颖介孔结构的材料是具有快速电子传输和离子传输的理想材料。

然而，涂覆了LTO材料的碳的电导率仍然不够高，并且通过利用固态反应或溶胶凝胶法来制造具有介孔结构的纳米尺寸的粒子仍然是一个挑战。近来，液相途径已经被认作为控制粒子尺寸和形状的可行的方式。

通常，钛酸锂由作为起始材料的二氧化钛而得到。为了制备具有优异特性的电极材料，二氧化钛作为钛酸锂的起始材料起到了重要的作用。在作为钛酸锂的起始材料的锂前体与钛前体之间，由于钛前体比锂前体对电池性能影响更大，因此对于钛前体在所用元素的类型和量以及相应构成比方面需要更多的考虑。当将高纯度的二氧化钛用作钛酸锂的前体时，会发生包括高制造成本在内的很多问题。

CN102610824公开了一种用于制备纳米级LTO/Ag组合物的方法，该组合物用于锂离子电池的阳极材料。同时实施Ag掺杂以修饰纳米级LTO来提高钛酸锂的电导率。为了降低预处理过程中的温度并且防止粒子团聚，通过水热处理控制钛酸锂的化学成分和粒径。但是，Ag通常在钛酸锂内不会良好地分布，导致电导率低。

CN103022461公开了一种用于提供大倍率放电特性的稀土金属掺杂的微纳米级钛酸锂阳极材料。钛酸锂的分子式为Li_xM_pTi_yO_z，其中M表示金属离子掺杂的稀土。通过采用球体形二氧化钛作为初始原料并且用水或乙醇作为反应溶剂，并通过水热反应以及煅烧处理来完成该制备方法。然而，稀土金属昂贵因此实质上增加了制造成本。

因此，还未满足对于这样一种LTO材料的需求，即该LTO材料提供高能量存储容量和高电导率，该高电导率用于增加在高充电/放电倍率下的容量。

发明内容

因此，目前请求保护的发明的第一方面将提供一种用于Li离子电池的金属/非金属共掺杂的LTO材料。