[发明专利]一种组成可控的钛酸锂/二氧化钛纳米复合颗粒、制备方法及其应用

说明书

本发明涉及新能源材料领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。一种组成可控的钛酸锂/二氧化钛纳米复合颗粒，制备所述的钛酸锂/二氧化钛纳米复合颗粒的前驱体中，钛酸锂为Li₄Ti₅O₁₂与Li₂TiO₃的混相，二氧化钛为锐钛矿相和金红石相组成的混相；所述的组成可控的钛酸锂/二氧化钛纳米复合颗粒的粒径为10～40nm，形貌呈链状结构。本发明发挥钛酸锂与二氧化钛的协同作用，钛酸锂保证了复合材料的倍率性能，二氧化钛的存在提高了材料的比容量，且与钛酸锂形成颗粒界面提供额外的储锂空间，保证了材料的高倍率性能和高电化学活性，应用于锂离子电池负极材料中具有可观前景。

技术领域

本发明涉及新能源材料领域，具体涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前商品化的锂离子电池负极材料大多采用嵌锂碳材料。然而，碳材料作为锂离子电池负极材料仍存在一些缺点：碳材料的电位与金属锂的电位很接近，当电池过充时，金属锂可能会在碳电极表面析出而形成锂枝晶，从而引起短路，存在爆炸、燃烧等安全隐患。Li₄Ti₅O₁₂具有非常优良的结构保持性能，被称为“零应变”材料：在充放电过程中不发生结构改变，循环性能好；在快充/快放应用中有巨大优势；具备稳定的充放电平台；理论比容量为175mAh/g，实际比容量可达165mAh/g；不与电解液反应、价格便宜、容易制备、具有更好电化学性能和安全性，被看作是很有前景的锂离子电池新型负极材料之一。然而，由于Li₄Ti₅O₁₂锂离子导电性和电子导电性很低，为了克服这一缺陷，采用许多方法，包括减小纳米尺寸、改变形貌结构、金属离子掺杂等以提高其倍率性能。

火焰燃烧法因其操作简单、生产周期短、产品纯度高、易于工业化等优点，已被广泛应用于纳米材料的制备与工业化生产。火焰喷雾燃烧法(FSP)工艺中，液相前驱体通常是有机化合物或者基于有机溶剂的，燃烧放热量大，能形成自维持的火焰。火焰喷雾燃烧合成是一个高温高速的气相反应过程，其最高温度可到2800K，火焰停留时间仅为毫秒级，并且沿着火焰轴存在高的温度梯度(170K·cm-1)。高温和大的温度梯度之间的相互作用是FSP中最重要的一个特征：高局部温度促进均质的和高结晶材料的形成，也会促进烧结和聚并使粒子生长。快速高温反应过程中，复杂结构纳米材料的制备及其生长机理研究成为近年来的人们关注的热点。

二氧化钛用作锂离子电池具有明显的优势，如：嵌锂电位在1.75V左右，较碳的嵌锂电位高，可以彻底解决锂在负极产生枝晶的问题；在有机电解液中的溶解较小，在嵌脱锂过程中结构变化很小，可以避免嵌脱锂过程的材料体积膨胀收缩引起的结构破坏，从而提高材料的循环性能和使用寿命。纳米粒子用作电极材料可以缩短锂离子和电子的扩散距离、增大电极材料与电解液的接触面积，这些都有利于锂离子的快速嵌入和脱出，纳米化的二氧化钛更具有比容量高和倍率充放电性能小等突出优点。

以上研究表明，纳米化和结构复合是提高钛酸锂材料电化学性能的有效手段之一。但如何有效结合两者的有点，尚需进一步研究。

发明内容

发明内容本发明所解决的技术问题在于提供一种组成可控的钛酸锂/二氧化钛纳米复合颗粒制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明以有机钛源和无机锂源的高热焓溶剂溶液为前驱体，利用火焰喷雾燃烧技术及其火焰反应快速高温快速冷却的特点，即利用火焰喷雾燃烧法和后处理高温煅烧，制备类链状的钛酸锂/二氧化钛纳米复合颗粒，通过后处理高温煅烧实现其组成可控。所制备的复合颗粒中，Li₄Ti₅O₁₂颗粒之间形成链状纳米尺寸结构，具有良好的离子传输扩散性能；锐钛矿相和金红石相的二氧化钛的复合提高了材料的比容量，且与钛酸锂形成颗粒界面提供额外的储锂空间，保证了材料的高倍率性能和高电化学活性。成功综合了以上所述的纳米化和结构复合的优势。