[发明专利]一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料及其制备和应用。本发明的碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料通过适量的金属掺杂量和碳包覆量来改善钛酸锂材料的产气问题，增强其电子导电性，充分发挥钛酸锂材料寿命长的优点。本发明中还提供了一种锂离子电池，该锂离子电池负极材料为上述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料，该锂离子电池具有优良的循环稳定性，在3C倍率下，经过8000周充放电循环，容量保持率能保持在90%以上。

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料开发领域，具体涉及一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料及其制备，以及以该复合材料为电极材料的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池作为一种可再生能源，具有容量大、寿命长、对环境友好等优点，广泛应用于电动汽车和便携式电子设备中，随着新能源技术的不断发展，锂离子电池的性能得到不断开发，研究者对锂离子电池的性能进行改进，以满足消费者对锂离子电池的使用要求。

锂离子电池的开发过程中，正极材料和负极材料一直都是研究的热点。正极材料方面，高电压、高能量密度的核壳材料被不断开发。负极材料方面，目前广泛使用嵌锂石墨化碳材料，该材料具有价格便宜、制备简单、性能良好等特点，但是在使用过程中体积变化较大，存在较大安全隐患。

随着对负极材料研究的深入，研究者开发出一种嵌锂石墨化碳材料优良替代品，即钛酸锂材料。钛酸锂材料具有“零应变”的特点，在使用过程中，能避免由于电极材料的来回伸缩而导致电极结构发生破坏，因此能够提高电极的循环性能、使用寿命和安全性能，同时还具有良好的耐过充、耐过放性能。

虽然钛酸锂材料具有上述优异的性能，但是在使用过程中存在产气严重的问题。这是因为电解液中的活性成分，如碳酸丙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）等在钛酸锂表面的Ti⁴⁺存在下发生催化分解；并且电解液中存在痕量的水和氢氟酸等，对催化分解有一定的引发作用，由于钛酸锂表面不易存在SEI膜，因此上述催化分解反应会一直存在，导致钛酸锂在使用过程中产气严重。

为了解决上述产气严重的问题，研究者通常会采用在钛酸锂表面包覆碳或金属氧化物的方法。例如申请号为201410808197.1名为《一种碳及氧化物复合改性钛酸锂材料的制备方法》的中国发明专利，采用微波化合和球磨的方法，制备改性钛酸锂材料，该方法制备的改性钛酸锂材料克服了纯相钛酸锂材料导电率差的问题，改性后的钛酸锂材料的循环性能和倍率性能都得到了有效的提高。虽然该方法制备的改性钛酸锂材料性能提高幅度较大，但是在实际生产中，微波化合法存在反应剧烈、过程不易控制等诸多问题，同时球磨包覆的方法包覆均匀性较差，难以在钛酸锂材料表面形成均匀的包覆层。

综上所述，钛酸锂材料的性能还有很大的提升空间。寻找合适的方法对钛酸锂材料进行改性，并在其表面制备合适的包覆层，对进一步提高钛酸锂材料的性能具有重要意义。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料及其制备和应用。本发明钛酸锂复合材料中金属离子掺杂量为复合材料质量的0.5-5%，碳的包覆量为复合材料质量的1-10%，在该掺杂量和包覆量下，钛酸锂复合材料能在50nm-2μm的小粒径情况下保持均匀稳定的性能。通过适量的金属掺杂量和碳包覆量来改善钛酸锂材料的产气问题，增强其电子导电性，充分发挥钛酸锂材料寿命长的优点。本发明中采用共沉淀热解碳的方法在钛酸锂材料表面包覆碳，使得包覆效果更加均匀，且不会出现氧化物杂质的影响。本发明中还提供了一种锂离子电池，该锂离子电池负极材料为上述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料，该锂离子电池具有优良的循环稳定性，在3C倍率下，经过8000周充放电循环，容量保持率能保持在90%以上。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：