[发明专利]一种钛酸锂负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钛酸锂负极材料领域，具体涉及一种钛酸锂负极材料及其制备方法。

背景技术

具有尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)非常稳定，由于其在嵌脱锂过程中晶格常数几乎不发生变化，被称为“零应变”材料，其理论嵌锂电位为1.55V vs.Li/Li⁺，在充放电过程中不易形成锂枝晶，理论比容量为175mAh/g，能够在大多数液体电解质的稳定电压区间使用具有安全性高、充放电性能好、循环性能优良、库仑效率高(接近100％)、锂离子扩散系数比普通碳负极高一个数量级(2×10^-8cm²/s)、材料来源广、清洁环保等优良特性等优点。这些优点使其成为具有良好发展和应用前景的锂离子动力电池负极材料。

然而，Li₄Ti₅O₁₂材料的本征电子导电能力(电导率10^-13S/cm)低，大电流充放电时容量衰减快，倍率性能较差，电化学反应过程中必将导致极化严重，甚至产生大量热量，对电极性能非常不利。电极是能量贮存和转化的主要场所，也是荷电粒子(电子和离子)出入的通道。为了使电极过程能够快速高效地进行，电极还必须具有良好的电子和离子传输能力。在电极制作工艺中，通常采用将活性材料粉末与石墨、碳黑或纤维等导电剂混合的方法来提高电极的导电能力。

虽然这些措施提高了材料的导电能力，但是Li₄Ti₅O₁₂在循环使用中会与电解液发生反应，导致持续产气，以致电池鼓胀，温度越高产气越严重，影响电池性能的发挥。目前，研究人员从材料改性、新型电解液体系的开发、工艺条件的优化、工程方法等方面进行了研究探索，对胀气问题也有了一定的抑制效果，但胀气仍是目前制约Li₄Ti₅O₁₂材料广泛应用于产业中的关键问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种钛酸锂负极材料，该钛酸锂负极材料采用脂肪醇聚氧乙烯醚作为碳源，在制备过程中通过对工艺条件和参数的控制，使得形成的包覆碳层致密且薄而均匀，能够很好的包覆钛酸锂，减少钛酸锂电池使用过程中产气量，且能够在0.2C、25℃下首次充放电比容量达到147.3mAh/g。

本发明通过下述技术方案实现：

一种钛酸锂负极材料，由脂肪醇聚氧乙烯醚作为碳源，与锂源、钛源形成的碳包覆钛酸锂负极材料。

脂肪醇聚氧乙烯醚是一种非离子表面活性剂，可广泛用于乳化、润湿、助染、扩散、洗涤等方面。有优良的生物降解性和低温性能，不受水硬度的影响。聚合度越大，分子亲水基上的氧越多，与水就能形成更多的氢键，水溶性就越好。发明人发现AEO-15在碳化过程中，所生成的气相小分子在碳化时同时逸出，形成的气孔较少，因此碳化后形成的碳层较致密，比表面积适中，包覆层很薄且均一。

脂肪醇聚氧乙烯醚为锂源、钛源总质量的1-5％。脂肪醇聚氧乙烯醚的量对碳包覆钛酸锂的循环性能和产气抑制性能都具有影响，选择适量的脂肪醇聚氧乙烯醇，能够有助于碳包覆钛酸锂的循环性能的提升和抑制产气性能的提升。

脂肪醇聚氧乙烯醚、与锂源、钛源形成混合溶液球磨细化得浆料，浆料粘度为涂四杯7-8’，将浆料磨至纳米级喷雾干燥再还原煅烧得碳包覆钛酸锂负极材料。

发明人在实验过程中发现，浆液对碳包覆层也具有重要的影响。若浆液粘度太高，随着浆料粘度的增加，喷雾干燥出来的颗粒粒径就会增加，并且有机碳源包覆均匀性会有所降低，从而使降低碳包覆层的均匀性。

一种钛酸锂负极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将脂肪醇聚氧乙烯醚、锂源、钛源形成混合溶液，球磨得浆料，浆料黏度为涂四杯7-8’；

(2)将浆料磨细至纳米级后喷雾干燥得碳包覆的前驱体粉体；

(3)将前驱体粉体在保护气氛下煅烧，保温后自然冷却即得碳包覆钛酸锂负极材料。

步骤(1)中混合溶液的固含量为30-50％。

步骤(2)喷雾干燥的热空气进口温度为150℃-180℃，热空气出口温度为60℃-80℃。

步骤(3)煅烧时升温速率为5-10℃/min。

步骤(3)煅烧温度为800℃～900℃。

步骤(3)保温时间为8-16h。