[發明專利]一種摻雜鈮元素的鋰離子電池鈦酸鋰負極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201010155014.2
• 申請日: 2010-04-26
• 公開（公告）號: CN101807688A
• 公開（公告）日: 2010-08-18
• 發明（設計）人: 伊廷鋒;岳彩波;諸榮孫;喬紅斌
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: H01M4/1391
• 分類號: H01M4/1391;H01M4/505
• 代理公司: 馬鞍山市金橋專利代理有限公司 34111
• 代理人: 周宗如

技術領域

本發明屬于鋰離子電池負極材料技術領域，具體涉及一種摻雜鈮元素的鋰離子電池鈦酸鋰負極材料及其制備方法。

背景技術

一方面，全球大氣污染42％源于交通車輛的污染，另一方面，石油危機日益嚴峻。為此，世界各國對發展電動車(EV)和混合電動車(HEV)高度重視。作為動力電源，現在還沒有任何一種電池能與石油相提并論，動力電池已成為限制EV和HEV發展的瓶頸。鋰離子電池以其工作電壓高、比能量和比功率高、循環壽命長和環境污染小而成為動力電池的研發熱點，被認為是當前最可靠的能源儲存和轉化裝置。鋰離子電池負極材料的性能和制備工藝很大程度上決定了鋰離子電池的性能。目前鋰離子電池負極材料大多采用各種嵌鋰碳材料，但是碳電極的電位與金屬鋰的電位很接近；當電池過充電時，碳電極表面易析出金屬鋰，會形成枝晶而引起短路，溫度過高時易引起熱失控等。同時，鋰離子在反復地插入和脫嵌過程中，會使碳材料結構受到破壞；另外，碳材料與電解液(如PC基材料)兼容性也存在較大問題，導致容量衰減。因此，尋找能在比碳電位稍正的電位下嵌入鋰，廉價、安全可靠和高比容量的新的負極材料不僅具有重要的戰略意義，還具有極大的經濟和社會效益。

尖晶石Li₄Ti₅O₁₂是一種“零應變”插入半導體材料，它以優良的循環性能和穩定的結構而成為備受關注的鋰離子電池負極材料。用Li₄Ti₅O₁₂設計的HEV動力鋰離子電池，體積可小于用碳負極設計的電池，降低電池的成本。與碳材料相比，Li₄Ti₅O₁₂的電化學穩定性和安全性很好(B.Scrosati?et?al.J.PowerSources，2010，195：2419-2430)。目前，提高Li₄Ti₅O₁₂性能的途徑主要有三個方面：制備納米粒徑材料、制備多孔結構材料及提高其導電性。前兩種方法具有過程復雜多變、能耗過大、成本較高等缺點，不利于實現大規模工業化生產。因此，通過摻雜提高Li₄Ti₅O₁₂導電性具有非常廣泛的應用前景。

發明內容

本發明針對現有技術存在的問題，提供一種摻雜鈮元素的鋰離子電池負極材料及其制備方法。

本發明所提供一種摻雜鈮元素的鋰離子電池負極材料的化學式為：Li₄Ti_5-xNb_xO₁₂，其中x＝0.05，0.1，所述的負極材料是由鋰源、TiO₂和鈮源混合制備而成，其中鋰源、TiO₂和鈮源的金屬原子摩爾比為(3.5-5.5)∶(5-x)∶x。所需原料為鈮的氧化物及其氫氧化物、鋰鹽及氫氧化鋰和TiO₂，采用高溫固相燒成法在空氣氣氛中合成。制備的Li₄Ti_5-xNb_xO₁₂(x＝0.05，0.1)具有200-300nm的粒徑和很高的電化學性能，可以用于高性能鋰離子電池負極材料。

本發明所提供一種摻雜鈮元素的鋰離子電池負極材料的制備方法具體如下：

將鈮源、TiO₂和鋰源混合，在球磨機中研磨6-10個小時，使之混合均勻，接著將研磨所得混合物放入馬弗爐中，在800-900℃下反應16-24小時，隨后自然冷卻到室溫，即制得Li₄Ti_5-xNb_xO₁₂(x＝0.05，0.1)。

本發明中所述的鈮源為五氧化二鈮或者氫氧化鈮[Nb(OH)₅]中的一種。

本發明中所述的鋰源為碳酸鋰、醋酸鋰、硝酸鋰、氫氧化鋰中的一種。

本發明的特點是：

(1)簡化了Li₄Ti_5-xNb_xO₁₂的制備工藝過程，可控性好，重現性高，不使用螯合劑，節約了生產成本。

(2)利用該方法合成的材料顆粒均勻一致、分散性好、結晶度高，并且通過調節反應溫度和時間，還可得到不同粒徑的材料。