[發明專利]一種鈦酸鋰電極材料的合成方法

無效

• 申請號: 201110269081.1
• 申請日: 2011-09-13
• 公開（公告）號: CN102315453A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: 李寶華;韓翠平;賀艷兵;寧峰;杜鴻達;康飛宇
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/485
• 代理公司: 深圳市匯力通專利商標代理有限公司 44257
• 代理人: 李保明

技術領域

本發明涉及一種鈦酸鋰材料的合成方法，尤其是一種鈦酸鋰電極材料的制備方法。

背景技術

新能源、新材料、電動汽車的規模化開發和應用，對儲能器件提出了更高的要求，特別是對儲能和動力電池的安全性、使用壽命和快速充電性能的要求。鋰離子電池較其它電池如鎳氫電池、鉛酸電池具有工作電壓高、比能量大、循環壽命長、自放電小、無記憶效應、無污染等優點，其獨特的性能優勢必然使其成為未來電動汽車和儲能電站的主要動力源。

鋰離子動力電池應用于電動汽車的主要障礙是電池的安全性和快速充電問題得不到解決，而制約上述性能的關鍵因素是電池材料。目前所研究的鋰離子動力電池通常以磷酸鐵鋰、鎳鈷錳鋰、尖晶石錳酸鋰為正極材料，碳為負極材料，盡管上述三種正極材料其本身的安全性較好，但是電池在濫用狀態下電解液會與嵌鋰碳負極發生劇烈的化學反應，放出大量的熱，從而引起電池爆炸失控。因此以碳為負極的大容量高功率鋰離子動力電池的安全性問題一直得不到有效解決，制約著其產業化的發展。另外，以碳為負極的鋰離子電池，由于受鋰離子在碳電極內部擴散限制，其快速充電性能較差，若電池快速充電，部分鋰離子來不及擴散到電極內部，將沉積于電極表面，形成鋰枝晶，引起電池不可逆容量和安全性問題，因此以碳為負極的鋰離子電池不能滿足電動汽車快速充電的需求。所以如何解決鋰離子動力電池的快速充電問題和安全性問題已經成為困擾動力電池產業化發展的根本性問題，也是阻礙電動汽車產業化的關鍵問題。

解決鋰離子動力電池安全性問題的關鍵是用更安全、與電解液熱反應活性更小的負極材料替代碳負極材料。具有尖晶石結構的鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)是一種“零應變”材料，理論嵌鋰電位為1.55V(vs.?Li⁺/Li)，理論比容量為175mAh/g，充放電過程中體積結構幾乎不發生變化，具有安全性高、充放電性能好、循環性能優良、充放電電壓平臺穩定等優點。同時鈦資源豐富、價格低廉。這些優點使其成為極具發展前景的鋰離子動力電池電極材料，有著巨大的研究價值和商業應用價值。然而，Li₄Ti₅O₁₂材料的本征電子導電能力(電導率10^-13S/cm)和離子導電能力(鋰離子擴散系數約為2×10^-8cm²/s)不高，因此Li₄Ti₅O₁₂在大電流充放電時容量衰減快、倍率性能較差，制約了其作為高倍率負極材料在鋰離子動力電池中的應用。

目前主要通過下面四種途徑改善鈦酸鋰的功率充放電性能：制備納米粒徑Li₄Ti₅O₁₂；制備多孔結構Li₄Ti₅O₁₂；金屬離子摻雜Li₄Ti₅O₁₂；Li₄Ti₅O₁₂與碳或金屬復合。納米粒子和多孔結構Li₄Ti₅O₁₂有助于縮短鋰離子擴散通道，增加電解液與電極材料的接觸面積，從而提高材料的倍率充放電性能；與金屬離子摻雜或與碳材料和金屬粉末復合能夠明顯提高復合材料的電子電導率，也有助于提高材料的倍率充放電性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種鈦酸鋰材料的合成方法，該合成方法能夠合成顆粒細小、倍率性能好的鈦酸鋰電極材料，以解決現有鈦酸鋰電極材料在大電流充放電時倍率性能較差的技術問題。

本發明鈦酸鋰電極材料的合成方法，包括以下步驟：

⑴在攪拌狀態下用去離子水配置濃度為3～13g/L的表面活性劑溶液A，用去離子水配置濃度為1～15?g/L的鋰化合物溶液B；

⑵在攪拌狀態下將鈦化合物逐漸加入溶液A中，制得溶液C，再將溶液C與溶液B混合，攪拌3～8h，得到溶液D；

⑶將所述溶液D放入水熱反應罐中，在120～260℃下擱置6～72h，然后將得到的產物烘干，得到混合物E；

⑷將所述混合物E在400～800℃處理3～8h，制得粒徑為10～2000?nm的鈦酸鋰電極材料。