[发明专利]一种水系锂离子电池用原位碳掺杂磷酸钛锂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及水系锂离子电池技术领域，公开了一种水系锂离子电池用原位碳掺杂磷酸钛锂及其制备方法和应用。该方法包括：(1)在溶剂I存在下，将二水合乙酸锂和钛源进行第一接触混合，得到第一混合溶液；以及在溶剂II存在下，将碳源和浓度为80‑85wt％的磷酸进行第二接触混合，得到第二混合溶液；(2)在密闭条件下，将所述第一混合溶液与所述第二混合溶液进行第一接触反应，得到凝胶前驱体，并将所述凝胶前驱体进行蒸发处理，得到干凝胶；(3)将干凝胶进行煅烧。采用本发明提供的原位碳掺杂磷酸钛锂用于水系锂离子电池中，能够显著提高电池的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明涉及水系锂离子电池技术领域，具体涉及一种水系锂离子电池用原位碳掺杂磷酸钛锂及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，锂离子电池安全事故频发，为解决锂离子电池的安全问题，水系锂离子电池逐渐受到科研人员的关注。相比于传统有机电解液锂离子电池，水系锂离子电池采用具有非可燃性的锂盐水溶液为电解液，具有安全性能高的显著优势。

另一方面，水系锂离子电池可在非惰性气体条件下进行装配，其生产成本低于有机系锂离子电池。此外，水系电解液的离子电导率通常较有机系电解液高两个数量级，因此，水系锂离子电池具有良好的电化学性能与应用前景。

然而，水的分解电压较低，当电极材料的嵌锂电位超出水的分解电压窗口时，将会发生明显的析氢析氧现象，影响水系电池的正常使用，因此，电极材料的选取应重点考虑电解液的稳定电压窗口，避免副反应的发生。

传统有机系锂电池的正极材料，如钴酸锂、锰酸锂和镍酸锂等的嵌锂电位低于析氧电位，可以应用于水系环境，而商用负极材料石墨无法应用于水系环境，其原因在于石墨的嵌锂电位不在水系电解液的稳定电压窗口内。因此，水系锂离子电池的研发重点在于新型负极材料的制备。

磷酸钛锂属于菱方晶系，空间群为R-3c，具有三维锂离子传输通道，其离子电导率高，结构稳定，理论比容量为138mAh/g，电压平台位于水系电解液的稳定窗口内，适宜作为水系锂离子电池负极材料使用。

目前，磷酸钛锂多采用高温固相法进行合成，该方法的工艺流程简单，但其生产能耗较高，产物粒径偏大，电化学性能有待提高。此外，纯相磷酸钛锂存在电子电导率偏低的问题，在水系电解液中其容量衰减较快，循环性能和倍率性能有待进一步提高。

因此，开发出一种电子电导率高和电化学性能好的磷酸钛锂，从而获得循环性能和倍率性能高的水系电池，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中由于磷酸钛锂电子电导率低、电化学性能差而导致水系电池循环性能和倍率性能不佳的缺陷。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种制备水系锂离子电池用原位碳掺杂磷酸钛锂的方法，该方法包括：

(1)在溶剂I存在下，将二水合乙酸锂和钛源进行第一接触混合，得到第一混合溶液；所述钛源为钛酸四丁酯和/或钛酸异丙酯；以及

在溶剂II存在下，将碳源和浓度为80-85wt％的磷酸进行第二接触混合，得到第二混合溶液；所述碳源为含量质量比为1：0.1-0.9的柠檬酸和乳酸；

(2)在密闭条件下，将所述第一混合溶液与所述第二混合溶液进行第一接触反应，得到凝胶前驱体，并将所述凝胶前驱体进行蒸发处理，得到干凝胶；

(3)将所述干凝胶进行煅烧；

其中，所述碳源的用量占所述二水合乙酸锂、所述钛源、所述碳源和所述磷酸总用量的10-35wt％。

本发明第二方面提供由第一方面所述方法制备得到的水系锂离子电池用原位碳掺杂磷酸钛锂。

本发明第三方面提供第二方面所述的原位碳掺杂磷酸钛锂在水系锂离子电池中的应用。