[发明专利]一种具有特殊微观结构的金属氧化物储能材料及制备方法

说明书

本发明涉及一类用于电化学储能，具有特殊微观结构的金属氧化物材料及其制备方法，其微观结构特征在于，为单晶、准单晶或孪晶结构，同时具有缺陷、多孔结构，含有混合价态金属元素的金属氧化物。其结构通式为M_xO_y‑z。可用于解决电化学储能的负极材料在高倍率工作条件下性能不足的难题。一方面，混合价态金属元素的存在大幅度增加材料的电子导电性；另一方面，缺陷和多孔的存在，提高了材料的离子传输性以及电化学活性，出现更多储锂位点，并且也能为电极体积变化提供缓冲；特殊的微观结构为材料的高功率、高能量、高稳定提供了保障。可将以本发明所述金属氧化物作为储能器件电极材料用于电动汽车等要求高功率密度和高稳定储能的领域。

技术领域

本发明涉及一种电化学储能材料，具体涉及一种具有特殊微观结构的金属氧化物材料及其制备方法，属于材料领域。

背景技术

在能源危机席卷全球，传统化石能源的污染性和不可再生性得到全世界的广泛认可和重视。在此背景下，电化学储能技术获得工业界和学术界的广泛重视，并取得长足发展。锂离子电池和超级电容器是电化学储能领域的最新技术，1989年日本SONY公司首次提出以LiCoO₂作Li源正极，石油焦作负极，LiPF₆溶于丙烯碳酸酯和乙烯碳酸脂作电解液，开发出新型锂离子电池，并于1991年成功实现商业化。相比于传统的二次电池，锂离子电池具有开路电压高，能量密度大和工作寿命长等优点，可应用于手机、摄像机、笔记本电脑等便携电子设备与军事装备和医疗设备等领域。目前锂离子电池正在向电动汽车、大规模储能等新领域发展，但其稳定性、安全性、能量密度、功率密度未能满足实际应用要求，因此需开发高性能新型储能材料，进一步扩大其应用市场。

负极材料作为锂离子电池的关键组成，从而引起广泛关注，目前商业化锂离子电池的负极材料主要包括性能更加稳定的人造石墨(天然改性石墨、中间相碳微球)，硅碳复合材料和钛酸锂。其中六方层状结构的石墨材料和硅碳复合负极材料，在低电池使用倍率下已接近材料的最大理论容量，循环寿命可以达到500次以上，可以基本满足便携式电子设备的电池需求，但在电动汽车等新型领域，石墨或硅碳负极会由于负极表面无法形成稳定SEI而降低库仑效率。在高倍率工作条件下长时间循环，因电极材料粉化、脱落而使电池完全失活，导电性差与体积效应等问题使得电池的容量衰减。钛酸锂具有“零应变”脱嵌锂结构、长循环寿命和较高安全性的优点。钛酸锂晶体的三维孔道结构为锂离子扩散提供通道的同时还能保持脱插锂过程中结构的稳定，其1.55V附近的工作电位抑制了SEI膜的生成，并且钛酸锂脱插锂前后的体积变化罕见地不到1％，能够实现长寿命高稳定的优势(Ultrathin Li₄Ti₅O₁₂Nanosheet Based Hierarchical Microspheres for High Rateand Long-Cycle Life Li⁺Ion Batteries.Advanced Energy Materials，2017，7(21)：1700950.)。但因只有约60％钛(IV)可被还原导致的较低理论容量(175mA h g^-1)限制了钛酸锂电池的应用。因此，开发一种新型的兼具高倍率充放电稳定性和较大容量的电极材料迫在眉睫。