[发明专利]一种锂离子负极材料Li4Ti5O12/C的合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料，尤其是涉及采用碳包覆二氧化钛工艺所制备的一种锂离子负极材料Li₄Ti₅O₁₂/C的合成方法。

背景技术

目前随着全球性石油资源紧缺与气候环境的不断恶化，人类社会发展面临着严峻的挑战。发展清洁节能的新能源汽车受到世界各国的高度重视。新能源汽车的发展，关键在其动力电源。锂离子电池具有能量密度大、自放电小、无记忆效应、工作电压范围宽、使用寿命长、无环境污染等优点，是目前新能源汽车主要的动力电源。而锂离子电池关键电极材料是电池性能的最终决定性因素，其中负极材料对锂离子电池性能的提高起着至关重要的作用。因此，开发高性能、廉价的负极材料对促进新能源汽车及相关新兴产业的发展具有重要的意义。

目前的负极材料主要为石墨，其比容量已经接近372mAh/g的理论值，很难再有提升的空间，因此寻找替代碳的高比容量负极材料成为一个重要的发展方向。Li₄Ti₅O₁₂ 作为一种新型的锂离子二次电池负极材料，与其它商业化的材料相比，具有循环性能好、不与电解液反应、安全性能高、充放电平台平稳等优点，是近几年来备受关注的最优异的锂离子电池负极材料之一。与碳负电极材料相比，钛酸锂有很多的优势，其中，锂离子在钛酸锂中的脱嵌是可逆的，而且锂离子在嵌入或脱出钛酸锂的过程中，其晶型不发生变化，体积变化小于1%，因此被称为“零应变材料”，能够避免充放电循环中由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少了随循环次数增加而带来比容量大幅度的衰减，具有比碳负极更优良的循环性能；但是，由于钛酸锂是一种绝缘材料，其电导率低，从而导致在锂电中的应用存在倍率性能较差的问题，同时钛酸锂材料理论比容量为175 mAh/g，实际比容量大于160mAh/g，具有克容量较低等缺点，因此，对于钛酸锂进行改性是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供工艺路线简单，适用于大规模工业生产，采用碳包覆二氧化钛工艺所制备的一种锂离子负极材料Li₄Ti₅O₁₂/C的合成方法。

本发明包括以下步骤：

1）将二氧化钛和有机碳源加水混合，球磨处理后喷雾造粒，得到的粉体在惰性气氛中预处理，得到碳包覆二氧化钛粉体；

2）将锂源溶于水中，加入步骤1）得到的二氧化钛粉体，然后球磨处理后喷雾造粒，得到干燥粉体；

3）将步骤2）得到的干燥粉体在惰性气氛中处理，再进行高温热处理，经过气流分级即得到锂离子负极材料Li₄Ti₅O₁₂/C。

步骤1）中，所述的二氧化钛为锐钛型二氧化钛或金石型二氧化钛中的一种。

步骤1）中，所述有机碳源可采用可溶于水的有机物中的一种，所述可溶于水的有机物可选自葡萄糖、蔗糖、果糖、聚乙二醇、聚丙烯酸、壳聚糖等中的一种；所述球磨处理的时间为5～10h ；所述预处理的温度为400～500℃，预处理的时间为5～8h。

在步骤2）中，所述锂源可采用水溶性锂盐醋酸锂、氢氧化锂中的一种；所述球磨处理的时间为2～3h。

在步骤1）和2）中，所述二氧化钛、锂源按元素摩尔数为n（Li）：n（Ti）=0.84～0.87；在步骤1）中，所述有机碳源的质量为二氧化钛质量的10%～15%；在步骤1）和2）中，所述水采用无盐水，其中步骤1）中水的加入量按质量比可为二氧化钛的3～4 倍，步骤2）中水的加入量按质量比为碳包覆二氧化钛粉体质量的3～4 倍。

在步骤1）和3）中，所述惰性气氛可采用氮气或氩气等。

在步骤3）中，所述处理的温度为500～600℃，处理的时间为10～20h ；所述高温热处理的温度为750～850℃，高温热处理的时间为2～20h。

与现有的锂离子负极材料Li₄Ti₅O₁₂的合成方法相比，本发明的优点在于：对合成原料二氧化钛首先进行碳包覆，避免后期因高温处理导致钛酸锂的团聚，防止钛酸锂晶粒生产过大，能有效地提高锂离子在充放电过称中的扩散速率。采用了可溶于水的有机碳源，使碳源更均匀包覆在粒子表面，有机物经过烧结热解后形成的电导率高纳米碳包覆层，极大提高了材料的导电性能，保证钛酸锂电性能的发挥。

具体实施方式