[发明专利]一种锂离子电池负极材料Li4Ti5O12/TiO2纳米片阵列及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种锂离子电池负极材料Li₄Ti₅O₁₂/TiO₂纳米片阵列及其制备方法和应用。采用无模板水热合成法，以硫酸氧钛和CH₃COOLi·2H₂O为原料，去离子水为溶剂，稀氨水调节酸碱度，水热反应制得前驱体；前驱体于空气氛围中，高温烧结得目标产物。通过该方法制备的锂离子电池负极材料，既保持了Li₄Ti₅O₁₂的优良特性，同时TiO₂的引入增强了锂离子的扩散性能，提高了材料的比容量，有效解决传统碳负极材料的安全隐患问题；而且纳米片阵列具有3D网络结构，能有效增大材料的比表面积，进一步提高了其作为锂离子电池负极材料的电化学性能，有利于实现Li₄Ti₅O₁₂电极材料的商品化。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别提供了一种锂离子电池负极材料Li₄Ti₅O₁₂/TiO₂纳米片阵列及其无模板的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有比能量高，寿命长且无污染的特点，故而被称之为“最有前途的化学电源”。传统的锂离子电池碳负极材料在高倍率的放电过程中易在电极表面极化，形成金属锂枝晶，从而造成内部短路，具有一定的安全隐患，难以满足大型设备的能源需求。尖晶石型 Li₄Ti₅O₁₂因其具有显著的结构稳定性和良好的安全性能而成为研究热点。Li₄Ti₅O₁₂具有较高的嵌锂电位(1.55V，vs.Li⁺/Li)，不易引起金属锂析出，能够在大多数液体电解质的稳定电压区间使用；此外，Li⁺插入和脱嵌中，材料的结构几乎没有变化，是一种“零应变”电极材料，安全性能好。但是该材料本身具有的弱电子导电性和离子扩散性能，导致其倍率性能差，很大程度上限制了其发展应用。

为了改善Li₄Ti₅O₁₂固有的电子和离子导电性弱的缺点，研究者们采取了许多的措施，包括合成纳米材料、体相掺杂以及高导电性材料包覆等。其中碳包覆是一种改善Li₄Ti₅O₁₂倍率性能的有效方式，但由于碳材料具有一定的安全隐患，故对Li₄Ti₅O₁₂进行无碳包覆成为新的研究热点。

TiO₂作为一种无碳包覆材料，因其具有较高的理论容量(336mAh g^-1)且在充放电过程中具有快速的锂离子镶嵌/脱嵌动力学性能，故对Li₄Ti₅O₁₂/TiO₂复合物的研究成为研究者们关注的话题，该复合物作为锂电池负极材料展现了良好的电化学性能，在一定程度上拓展了 Li₄Ti₅O₁₂材料的应用。同时，对Li₄Ti₅O₁₂负极材料进行结构纳米化，从而得到具有不同维度、特殊形貌的纳米结构也是一种改善Li₄Ti₅O₁₂固有缺点的有效方法。与普通的2D纳米片结构相比，具有3D网络纳米片阵列结构的负极材料，有着更大的比表面积，能为电解液和活性物质提供更多的接触面积以促进电化学反应的进行；此外，该阵列结构能有效减少离子扩散距离，进而增强电极的倍率性能，故而成为研究热点。