[发明专利]一种硅酸钛锂材料的制备方法及其在锂离子电池中的应用

说明书

一种硅酸钛锂材料的制备方法及其在锂离子电池中的应用，属于锂离子电池技术领域，其主体化学式为LI₂TiSiO₅，可用于锂离子电池负极材料。该材料具有良好的循环稳定性、较低的电压平台及较高容量。其主要制备方法为熔盐烧结法，涉及了材料的制备和改性(掺杂和包覆)。该法具有较低的烧结温度、时间，原料易得、环境友好，本发明公开了其制备方法。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种硅酸钛锂材料的制备和改性方法，其可作为锂离子电池负极使用。

背景技术

20世纪，能源的主要来源是化石燃料(石油、天然气、煤等不可再生能源)，在使用过程中产生CO、SO₂、NO_x等有害物质，使得能源和环境问题日益突出。2008年的石油危机及全球气候变化，促使太阳能、风能、核能等可替代能源转化为电能。另一项需要同步发展的技术是把这些能量以便携的方式储存起来。

锂离子二次电池作为一种重要的能源存储和转化器件，已掀起了广泛的研究和应用。锂电池具有高能量、质量轻、体积小、自放电少、循环寿命长、无记忆效应等特点，近年来已在便携式电子产品领域得到了广泛的应用，在电动汽车、电网储能和航天等重大领域也获得了积极的研究推广和示范性应用。其中正负极材料的研发，是锂离电池发展的关键，1989年，Sony公司研究人员找到了合适的正负极和电解质材料，并于1991年推出了以LiCoO₂为正极，石油焦为负极的商用锂离子电池，开启了锂离子电池时代。

从锂电池负极材料上看，人造石墨和天然石墨已经占据全球锂电池负极材料全球市场的97％,其主要应用于便携式电子产品。石墨类碳材料是目前综合性能最好的负极材料，用途最为广泛。该系列材料的比容量比较高，锂离子嵌入/脱出电位低(<1.0V vs.Li/Li⁺),从而保证了电池较高的输出电压。但石墨不适应大电流充放电，此外，由于碳电极的电位和锂金属的沉积电位接近，在大电流充放电时，碳电极表面容易形成锂枝晶而引发电池短路，严重影响了电池的倍率性能和安全性能，在充电初期，碳负极会与有机电解液形成SEI膜，是造成不可逆容量的主要原因，且高温工作时，表面形成的SEI膜易发生分解，引发电池的膨胀、着火等安全隐患。为满足日益发展的能源需求，负极材料的研究热点逐渐向其他材料转移。

钛基氧化物材料作为锂电池负极的研究由来已久，不同晶型的TiO₂其嵌锂电位均在1.5-2.1V(vs.Li/Li⁺)，与已有商业化的钛酸锂材料(～1.55V)相差不大，钛基材料相对于碳材料而言具有安全性方面的优势，因此这种材料尤其是钛酸锂材料在动力型和储能型锂离子电池方面存在着不可替代的应用需求。王志兴等人通过高温水蒸气强化共沉淀法(专利公布号：CN 105024070 A)、溶胶-凝胶法(专利公布号：CN 104810513 A)、水热法(专利公布号：CN 105152177 A)制备了硅酸钛锂材料，并利用钛铁矿为原料合成了硅酸钛锂材料(专利公布号：CN105140516 A)。随后夏永姚等人对该材料进行了碳包覆和掺杂等研究(专利公布号：CN 105226281 A)，详细的分析了该材料的嵌锂机制(Energy Environ.Sci.,2017,DOI:10.1039/C7EE00763A)，随后以膨胀石墨为基体材料，通过水热法原位生长纳米硅酸钛锂颗粒(Electrochimica Acta 260(2018)695-702)。该材料表现出了较低的充放电电位(<1V vs.Li/Li⁺)、较高的比容量。但以上钛基材料均面临导电性差的问题，在无碳包覆或其他表面修饰以提高其导电性能的前提下，该材料几乎无储锂容量。在现有技术中，王志兴等人在其专利中未特别提到碳包覆，其材料循环性能较差，夏永姚等人在其专利中提到的碳包覆材料在循环充放电过程中其初始容量较低，但循环过程中逐步提高并稳定。因此采用适当的碳包覆方法使其具有较高容量且稳定的充放电过程，是本发明的出发点。

发明内容