[发明专利]碳包覆负极材料及其制备方法和电池

说明书

本发明涉及一种碳包覆负极材料及其制备方法和电池，制备方法包括以下步骤：将二氧化钛、碳源、磷酸、含金属元素的盐、锂源和水混合得到悬浊液，将所述悬浊液进行固液分离收集固体得到前驱体，干燥、研磨后升温至300℃3300℃条件下加热1小时33小时，然后在氮气氛围中升温至700℃3700℃条件下加热3小时36小时，得到所述碳包覆负极材料。本发明的制备方法思路简单、方法可行，通过掺杂氮和磷原子既可以提高材料的本征电子电导率和Li⁺扩散系数，解决了钛系负极材料固有低本征电导率的问题，而且可以与碳协同作用，提升材料在大电流下的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及能源材料技术领域，特别是涉及一种碳包覆负极材料及其制备方法和电池。

背景技术

锂离子二次电池从便携式设备到电动汽车领域的先后应用，带给人类极大便利和丰富物质生活的同时，也对其安全性和能量密度提出了更高要求。当前电池中所使用的碳质材料因其工作电压仅有0.1V，一方面易导致电解质被还原，从而在负极表面形成较厚的SEI膜，进而限制了Li⁺的传输，另一方面随着放电倍率增大，易形成锂枝晶，从而带来严重的安全问题。

立方尖晶石型Li₂MTi₃O₈(其中M选自Mg、Co、Ni、Mn)，以其P4₃32空间群的典型结构，从而被认为是碳质材料的新型阳极替换材料，且研究显示此类材料具有较好的循环稳定性。如Li₂MnTi₃O₈的放电电压平台在0.5V左右，可以有效的抑制锂枝晶的生长，进而提高其安全性能。但是它也具有一定的劣势，一方面Li₂MnTi₃O₈的理论容量为240mAh/g虽高于钛酸锂，但是与石墨相比理论容量仍需要提高，从而达到高能量密度电芯对负极材料的需求，另一方面，它的电子电导率和高倍率性能亦不好，从而限制了其商业化广泛应用。

发明内容

基于此，有必要提供一种理论容量和电子电导率较高的碳包覆负极材料的制备方法。

一种碳包覆负极材料的制备方法，包括以下步骤：将二氧化钛、碳源、磷酸和水混合并超声分散1小时～3小时，搅拌4小时～8小时，然后加入碳酸锂和含金属元素的盐，再超声分散1小时～3小时，搅拌4～8小时得到悬浊液，将所述悬浊液进行固液分离收集固体得到前驱体，干燥、研磨后升温至300℃～800℃条件下加热1小时～3小时，然后在氮气分压为气体总压的60％以上的气氛中升温至700℃～700℃条件下加热3小时～6小时，得到所述碳包覆负极材料；其中，所述金属元素为Mg、Co、Mn和Ni中的至少一种。

在其中一个实施例中，所述二氧化钛的质量份数为1.5～4.5，所述碳源的质量份数为0.5～1.5，所述磷酸的质量份数为0.1～0.5，所述锂源的质量份数为0.5～1.5，所述含金属元素的盐的质量份数为1.5～4.5。

在其中一个实施例中，所述二氧化钛的质量份数为2～3，所述碳源的质量份数为0.8～1.2，所述磷酸的质量份数为0.2～0.4，所述锂源的质量份数为0.6～0.8，所述含金属元素的盐的质量份数为2～3。

在其中一个实施例中，所述碳源包括淀粉、葡萄糖、麦芽糖和蔗糖中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述锂源包括碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂和硝酸锂中的一种或多种。

在其中一个实施例中，所述金属元素为Mg。

在其中一个实施例中，所述含金属元素的盐为草酸镁，所述锂源为碳酸锂，所述碳源为蔗糖。

在其中一个实施例中，所述二氧化钛为锐钛矿型二氧化钛。

本发明还提供了一种根据上述制备方法制备得到的碳包覆负极材料。