[发明专利]一种锌位钠铜共掺杂协同氮硫掺杂碳包覆改性钛酸锌负极材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种锌位钠铜共掺杂协同氮硫掺杂碳包覆改性钛酸锌负极材料及其制备方法和用途。所述制备方法包括：(1)制备氮掺杂的碳材料；(2)溶解锌源、钠源和铜源得到溶液A；溶解钛源得到溶液B；将两者混合得到溶液C；(3)将氮掺杂的碳材料加入溶剂中，得到溶液D；(4)将溶液C和溶液D混合，搅拌，经离心干燥，将得到的固体粉末和硫源混合，烧结，得到所述负极材料。本发明制备的负极材料颗粒粒径均一、结构稳定和致密，电导率高，循环稳定性好，由其制备的负极极片和锂离子电池，循环性能良好，使用寿命较长，满足实际应用中的需求。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种锌位钠铜共掺杂协同氮硫掺杂碳包覆改性钛酸锌负极材料及其制备方法和用途。

背景技术

随着各种电子设备以及电动汽车、混合动力汽车的发展，对为其提供能量的锂离子电池提出了更高的要求。锂离子电池的容量密度和能量密度较高，被公认为最有希望的动力电池。目前，锂离子电池负极材料大多采用各种嵌锂碳/ 石墨材料，但是，碳材料的嵌锂电位(0-0.26V)与金属锂的沉积电位很接近，当电池过充时，金属锂可能会在碳电极表面析出而形成锂枝晶，随着枝晶进一步生长，则可能刺穿隔膜，造成正负极相接，从而引起短路；此外，碳材料还存在首次充放电效率低、与电解液发生作用、存在明显的电压滞后现象和制备方法比较复杂等缺点。钛酸盐基材料具有较高的嵌锂电位可以有效避免金属锂的析出，且在高温下具有一定的吸氧功能，因而具有明显的安全性特征，被认为是代替碳材料作为锂离子电池负极材料的理想选择。

然而，单纯的钛酸盐基材料作为负极材料，电子电导率和离子导电率较差，严重影响了钛酸盐电化学性能的发挥，尤其在大电流充放电时容量衰减快、倍率性能较差，实际应用中难以进行快速充放电，因此，迫切需要采取有效措施对钛酸盐基材料进行改性，提高其电化学性能。

目前，对钛酸盐基材料改性的研究比较多，主要是离子掺杂、碳包覆和与其他材料复合的方法。CN106816592A公开了一种氯化钾改性钛酸锌锂负极材料的制备方法，其技术方案为：包括如下步骤：将钛酸锌锂与氯化钾按比例在水中混合均匀，然后烘干、烧结、研磨，即得。它解决了现有技术中对于钛酸锌锂负极材料电子电导率和离子电导率较差的问题，通过钾离子和氯离子同时掺杂进入钛酸锌锂中，有效解决了钛酸锌锂负极材料电子电导率和离子电导率较差的问题，显著提高了钛酸锌锂负极材料的电化学性能，尤其是倍率性能。

CN109244415A公开了一种球形碳包覆钛酸盐复合负极材料的制备方法，步骤包括：配置氯化盐溶液，再与乙醇搅拌混合完全，得到混合溶液；将钛酸四丁酯加入到混合溶液中充分水解沉淀，将生成的白色沉淀过滤洗涤，干燥、研磨，得到球形二氧化钛前驱体；将碳源、钠源和球形二氧化钛前驱体加入到去离子水中，加热搅拌至完全溶解；或者将碳源、锂源和球形二氧化钛前驱体加入到去离子水中，加热搅拌至完全溶解；继续加热搅拌至蒸干，干燥、研磨，得到钛酸盐前驱体；将钛酸盐前驱体在惰性气氛下恒温加热，冷却后研磨，得预烧结粉末；将预烧结粉末在惰性气氛下恒温煅烧，冷却后研磨、过筛，获得球形碳包覆钛酸盐复合负极材料。该发明制备的球形碳包覆钛酸钠或钛酸锂复合电池材料，球形度好，粒度分布窄，碳包覆层有利于提高材料的电子导电率。

CN107768635A公开了一种锂离子电池用钛酸钡钠复合负极材料的制备方法，属于锂离子电池技术领域。该方法具体步骤是：将硝酸钠和硝酸钡溶于醇的水溶液，并加入有机酸，记为溶液A；将TiCl₄溶于醇溶液，记为溶液B；将 A和B混合，并搅拌，蒸干液体；然后放于马弗炉中在先预烧，然后烧结，冷却至室温，球磨即制得BaNa₂Ti₆O₁₄材料；将其放进烧杯中，加入表面活性剂、去离子水后超声，然后搅拌；随后加入吡咯和酸溶液，再加氧化剂，冰水浴下搅拌，然后洗涤，得到BaNa₂Ti₆O₁₄@PPy复合负极材料。该负极材料颗粒粒径均一、结构稳定、致密，具有可观的宽电位窗口可逆容量、优异的倍率性能和稳定的循环寿命。