[发明专利]一种稀土金属元素掺杂的碳包覆钛酸锂、制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种稀土金属元素掺杂的碳包覆钛酸锂、制备方法和应用。稀土金属元素掺杂的碳包覆钛酸锂分子的表达式为Li_xM_pTi_y‑pO_z/C，式中M为掺杂改性金属离子，其中0＜x≤8，0＜p＜5，0＜y≤6，1≤z≤12，1/2≤x:y≤2。其制备方法为采用燃烧法制备的掺杂稀土金属元素的纳米二氧化钛和纳米碳酸锂为初始原料，通过高温机械力化学法制备。该制备方法制备的钛酸锂粉体材料具有粒度均匀、品质高的优点，制备过程中能显著降低合成温度，且制备过程能耗少，降低了生产成本低；获得的复合材料电池容量和电子导电性都有明显提高，显著改善了电池性能。

技术领域

本发明属于新能源材料制备技术领域，具体涉及一种稀土金属元素掺杂的碳包覆钛酸锂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各种嵌锂碳材料，碳材料存在一些致命的缺陷，如材料制备方法较复杂；在循环过程中易形成表面钝化膜，导致容量损失；同时，易析出锂枝晶，使电池短路，从而引发安全问题等。同碳负极材料相比，氧化物负极材料具有较高的比容量，但其循环性能相对较差。因此，有必要开发能满足倍率和安全要求的新型负极材料。

尖晶石钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)因其固有的特性而被认为是用于大功率锂离子电池中最有前途的负极材料之一。一方面，它具有较高的嵌锂电位，可防止锂枝晶的出现和固体电解质界面膜(SEI膜)的形成，从而安全性能得到提高。另一方面，Li₄Ti₅O₁₂在锂嵌入/脱嵌过程中体积变化非常小，因此被称为“零应变”材料，这种“零应变”特性使其具有优良的可逆性和较长的寿命。虽然Li₄Ti₅O₁₂在中具有很大的应用潜力，但Li₄Ti₅O₁₂作为锂离子电池负极材料，其导电性很差，且相对于金属锂的电位较高而容量较低，钛酸锂电池理论容量仅有175mAh/g，而且电子电导率较低；另一方面钛酸锂的生产成本比较高，限制了其在社会中的推广应用。

在制备方面，制备Li₄Ti₅O₁₂的主要方法包括三种：固相法，溶胶–凝胶法和水热法。固相法是一种操作简单、适合大规模的工业化生产的合成方法，也是许多材料合成的首选方法，但是传统固相法制备的样品颗粒大小、形貌以及均匀性都较差，大大影响材料的电化学性能；溶胶-凝胶法的热处理时间较长，温度较高(800-1000℃)和水热法成本比较高，工业应用受到限制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种稀土金属元素掺杂的碳包覆钛酸锂的制备方法，制备的钛酸锂粉体材料具有粒度均匀、品质高的优点，制备过程中能显著降低合成温度，且制备过程能耗少，降低了生产成本；制备的材料应用于锂离子电池的钛酸锂负极材料，使电池容量和电子导电性都有明显提高。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种稀土金属元素掺杂的碳包覆钛酸锂，其分子的表达式为Li_xM_pTi_y-p O_z/C，式中M为掺杂的稀土金属元素，其中0＜x≤8，0＜p＜5，0＜y≤6，1≤z≤12，1/2≤x:y≤2。

进一步地，所述稀土金属元素M为铈(Ce)、钕(Nd)、钐(Sm)、镝(Dy)或钪(Sc)中的一种。

一种稀土金属元素掺杂的碳包覆钛酸锂的制备方法，其包括如下步骤：