[发明专利]一种锂原电池的复合正极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种锂原电池的复合正极材料及其制备方法和应用。所述复合正极材料包括纳米氟化钛材料、碳材料和粘接剂。本发明通过采用具有半金属特性的氟化钛复合材料作为锂原电池的正极材料，利用该材料良好的电子导电性和高比容量，制备得到一种能够满足大流放电特性和高比能量的锂/氟化钛的原电池。

技术领域

本发明属于正极材料技术领域，具体涉及一种锂原电池的复合正极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂原电池由于其具有寿命长和免维护的优势，因此在智能物联网和能源互联网等领域的需求迅速增加，此外，其在无人水下航行器、潜标浮标、通信设备、智能引信以及无人飞行器等国防领域也存在广泛应用。

目前，商业化的锂原电池主要分为锂/亚硫酰氯电池、锂/二氧化硫电池、锂/二氧化锰电池、锂/二硫化铁电池以及锂/氟化碳电池。现有技术中的锂原电池具备能量密度与放电倍率无法兼顾的缺点，特别是在大电流密度下其放电性能较差，难以满足在1C以上倍率的连续放电，限制了锂原电池在诸多需要高倍率放电条件下的应用场景。

近年来，已报道的具有高倍率放电性能的锂原电池包括以色列TADIRAN公司“TLM”系列产品、功率型锂/氟化碳电池和锂/铬基氧化物电池等。“TLM”系列产品虽然具有高达5C的放电倍率，但其能量密度仅有97Wh/kg；功率型锂/氟化碳电池虽然可以支持约在1C的倍率下进行放电，但由于氟化碳具有导电性差且密度低的劣势，电池在高倍率下放电时产生较多的热量，而且电池的体积能量密度较低；锂/铬基氧化物电池因铬氧化物正极材料的毒性较大，不利于大面积推广使用。

基于以上需求和现有锂原电池体系中存在的上述问题，开发兼具高比能和高倍率的锂原电池材料具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锂原电池的复合正极材料及其制备方法和应用。本发明通过采用具有半金属特性的氟化钛复合材料作为锂原电池的正极材料，利用该材料良好的电子导电性和高比容量，制备得到一种能够满足大流放电特性和高比能量的锂/氟化钛的原电池。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种锂原电池的复合正极材料，所述复合正极材料包括纳米氟化钛材料、碳材料和粘接剂。

本发明通过采用具有半金属特性的氟化钛复合材料作为锂原电池的正极材料，利用该材料良好的电子导电性和高比容量，制备得到一种能够满足大流放电特性和高比能量的锂/氟化钛的原电池。氟化钛(TiF₃)是一种典型的半金属材料，其自旋向下的电子轨道具有一个5.5eV的大带隙，但同时费米面穿过了自旋向上的电子轨道，导致了在费米面附近充足的电子态，因此其表现出较好的电子导电性。同时，TiF₃中的Ti元素为+3价，即发生转化反应生成金属Ti时可转移3个电子，反应原理为TiF₃+3Li⁺+3e^-→Ti+3LiF，理论容量为767mAh g^-1，理论电动势为1.396V，理论能量密度约为1071Wh Kg^-1。TiF₃的密度为3.4gcm^-3，约为氟化石墨密度的1.3倍，因此具有较高的体积能量密度。此外，TiF₃的锂离子扩散系数级为10^-13cm² s^-1，其能够表现出较快的锂离子扩散速率，而且在嵌锂过程中其体积膨胀显著小于现有技术中公开的AlF₃等金属氟化物。

综上可知，氟化钛是一种具有良好的导电性、较高比能量以及嵌锂体积膨胀小的正极材料，进而能够实现锂原电池能量密度与放电倍率的兼顾，同时实现锂原电池重量能量密度与体积能量密度的双重兼顾。另外，纳米氟化钛材料能够缩短电子和锂离子的传输路径，提高其电化学性能。