[發(fā)明專利]一種鈦酸鋰/氮化鈦復(fù)合材料的制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010530815.2
• 申請(qǐng)日: 2010-11-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102013476A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭軍偉;周群;趙曉梅;桓佳君;李亞斌;周鋆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蘇州大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/139
• 分類號(hào): H01M4/139;H01M4/36
• 代理公司: 蘇州創(chuàng)元專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電池材料領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于鋰電池的負(fù)極材料。

背景技術(shù)

近年來(lái)，由于石油價(jià)格不斷攀升以及嚴(yán)重的全球變暖問(wèn)題，低碳生活越來(lái)越受到人們關(guān)注。混合電動(dòng)汽車及純電動(dòng)汽車已開(kāi)始走進(jìn)人民生活，鋰離子電池是此類交通工具動(dòng)力的最佳候選者。然而對(duì)于此類動(dòng)力交通工具而言鋰離子電池的關(guān)鍵問(wèn)題是安全性能，由于現(xiàn)有的鋰離子電池通常使用碳材料做負(fù)極，其嵌鋰電位與金屬鋰的電位非常接近，在大電流充電時(shí)很容易在負(fù)極表面生長(zhǎng)枝晶鋰，帶來(lái)安全隱患。而且碳負(fù)極在首次充放電過(guò)程中易于形成SEI膜，不僅造成不可逆容量損失，還消耗了鋰鹽，使電池性能下降。難以滿足鋰離子電池大電流充放電要求。

尖晶石型鈦酸鋰Li₄Ti₅O₁₂是一種極具應(yīng)用前景的電池負(fù)極材料，其相對(duì)于鋰電極的電位是1.5V，在電池充放電過(guò)程中不易形成枝晶鋰，安全性能好。Li₄Ti₅O₁₂的理論比容量是175mAh/g，實(shí)際比容量可達(dá)165mAh/g，同時(shí)在充放電過(guò)程中，Li⁺的嵌脫對(duì)Li₄Ti₅O₁₂材料結(jié)構(gòu)幾乎無(wú)影響，因而使Li₄Ti₅O₁₂具有優(yōu)良的循環(huán)性能。另外Li₄Ti₅O₁₂還具有放電電壓平穩(wěn)、嵌鋰電位高可在大多數(shù)液體電解質(zhì)的穩(wěn)定電壓區(qū)間內(nèi)使用而不與電解液形成SEI膜，庫(kù)倫效率高等特點(diǎn)。因此與碳負(fù)極和鋰負(fù)極材料相比，Li₄Ti₅O₁₂具有更好的電化學(xué)性能和安全性。

然而Li₄Ti₅O₁₂的電子結(jié)構(gòu)是鈦的3d空軌道具有～2eV帶隙能量，使其本征導(dǎo)電率較低(約10^-13S/cm)，因此如不對(duì)其修飾或改性將不可能在大電流充放電電池材料中獲得應(yīng)用。

改善材料導(dǎo)電性能的通常方法是用導(dǎo)電物質(zhì)對(duì)材料表面進(jìn)行包覆或減小材料粒徑。碳包覆是目前采用較多的一種提高電極材料導(dǎo)電性能的手段。在Li₄Ti₅O₁₂的制備過(guò)程中引入碳源，一方面可在Li₄Ti₅O₁₂粒子表面覆蓋碳層，提高材料的導(dǎo)電性能，另一方面覆蓋的碳層還能阻止在焙燒過(guò)程中材料顆粒的團(tuán)聚增大，縮短鋰離子擴(kuò)散距離，改善Li₄Ti₅O₁₂的倍率性能。但碳包覆會(huì)降低其作為電池材料的另一性能——振實(shí)密度，從而影響了電池的質(zhì)量比容量。

根據(jù)Li₄Ti₅O₁₂的材料特征，如果材料中的Ti與N結(jié)合成具有金屬導(dǎo)電性能的TiN，則N可通過(guò)化學(xué)鍵緊密結(jié)合在材料表面，在不減少振實(shí)密度的前提下提高材料的導(dǎo)電性能，從而改善其大電流充放電性質(zhì)。

現(xiàn)有技術(shù)中，Snyder?M?Q(參見(jiàn)：Journal?of?Power?Sources，2007，165(1)：379-385)報(bào)道了通過(guò)原子層沉積法(ALD)在Li₄Ti₅O₁₂表面沉積一層TiN，使Li₄Ti₅O₁₂的導(dǎo)電性能得到提高。Kyu-Sung?Park(參見(jiàn)：J.Am.Chem.Soc.，2008，130(45)：14930-14931)用氨分解法在Li₄Ti₅O₁₂表面制備了TiN薄膜，在大電流充放電過(guò)程中顯示了優(yōu)良性能。李劼(參見(jiàn)公開(kāi)號(hào)為CN?101728517A的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開(kāi)說(shuō)明書(shū))則以尿素為氮源通過(guò)熱氮反應(yīng)也在Li₄Ti₅O₁₂表面制備了一層TiN薄膜。上述幾種方法都是在已有Li₄Ti₅O₁₂材料表面制備一層TiN薄膜構(gòu)成復(fù)合材料，增加了材料修飾過(guò)程，提高生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容