[發明專利]鋰離子電池負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201110421634.0
• 申請日: 2011-12-15
• 公開（公告）號: CN102522535A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 吳澤軼;聞雷;李峰;蔣勇明;成會明
• 申請（專利權）人: 深圳市金潤能源材料有限公司
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;C01G23/00
• 代理公司: 深圳市攜眾至遠知識產權代理事務所(普通合伙) 44306
• 代理人: 成義生;石玉忠

【技術領域】

本發明涉及新能源材料技術領域，特別是涉及一種鋰離子電池負極材料及其制備方法。

【背景技術】

隨著能源危機的日益嚴峻，調整能源結構已迫在眉睫。人們一方面通過開發新能源來滿足不斷增長的需求，另一方面則選擇合理利用可再生能源。在開發利用可再生能源的過程中，電能儲存技術發揮著重要的作用。為解決電力系統在電力生產和消費中出現的均衡性問題及滿足風電、光伏發電等波動性較強的新能源電力并網需要，大規模儲能電站呼之欲出。目前可用于儲能領域的化學電源主要有鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池。其中，鉛酸電池性能穩定，但壽命太短，且能量密度過小；鈉硫電池須保證300℃的工作溫度；液流電池能量密度太低。鋰離子電池則因其優異的綜合性能，而成為研究的重點。同時，鋰離子電池因具有能量密度高等特點也成為電動汽車和混合動力汽車最具潛力的動力能源。車載鋰離子電池市場于2009年出現后，鋰離子電池在電動汽車中的應用已成趨勢，各大國都斥巨資進行扶持，對中國而言，更是被當作汽車產業“彎道超車”的希望。電動汽車的發展將為鋰離子電池產業帶來意義深遠的機會，不遠的將來，鋰離子電池的動力電池市場就會超越其在消費電了產品中的已有市場。

鈦酸鋰作為鋰離子電池負極材料，可避免碳負極材料表面形成固體電解質膜和鋰枝晶及鋰離子電池在循環過程中由于體積變化造成的比容量衰減。鈦酸鋰的上述特點保證了鈦酸鋰鋰離子電池極高的安全性能和循環壽命。此外，鈦酸鋰中鋰離子具有三維網狀擴散通道，其化學擴散系數約為2×10^-8cm²/s，幾乎比石墨高一個數量級，適合快速充放電。因此，以鈦酸鋰作為負極材料的鋰離子電池有望在大型儲能電站和車用動力電池中得到應用。

盡管鈦酸鋰用于鋰離子動力電池和大規模儲能電池具有非常顯著的優勢，但目前鈦酸鋰存在的一些問題則嚴重阻礙了其商品化應用進程：1)鈦酸鋰的導電率低，因其固有電導率為10^-9S/cm，使其呈現出絕緣體的特征。當大電流充放電時，其富集的電子將通過極化效應反過來限制鋰離子的插入和脫出，而使得材料電化學性能惡化。2)鈦酸鋰的高脫嵌鋰電位帶來電池的低電壓(1.55V?vs?Li⁺/Li)，與鈷酸鋰、錳酸鋰等常規正極材料相配合制備的鋰離子電池電壓僅約2.2V～2.5V，比以石墨作為負極材料的鋰離子電池要低約1.5V左右。因此如何提高鈦酸鋰的導電性及降低其鋰脫嵌鋰電位成為改善鈦酸鋰性能的重要課題。

【發明內容】

本發明旨在解決上述問題，而提供一種電壓高，安全性好，具有良好倍率充放電性能和更高能量密度的鋰離子電池負極材料。

本發明的目的還在于提供一種所述鋰離子電池負極材料的制備方法。

為實現上述目的，本發明提供一種鋰離子電池負極材料，該鋰離子電池負極材料為可控價態鈦酸鋰，其化學式為：Li₄Ti(IV)_5-xTi(III)_xO_(12-x/2)，其中，0＜x＜5；IV、III分別為Ti的價態，該鋰離子電池負極材料結構為尖晶石結構。

該鋰離子電池負極材料的固有電導率為10^-3～10^-8S/cm。

該鋰離子電池負極材料的嵌鋰電位低于化學計量比的鈦酸鋰Li₄Ti₅O₁₂的嵌鋰電位。

該鋰離子電池負極材料的嵌鋰電位為1.50～1.55V。

該鋰離子電池負極材料的可逆比容量為120mAh/g～170mAh/g，可實現1～20C倍率充放電。

該鋰離子電池負極材料的外觀顏色為藍色。

本發明還提供了所述鋰離子電池負極材料的制備方法，該方法包括如下步驟：

a、將鋰源和鈦源按鋰、鈦摩爾比Li∶Ti＝0.80～0.84∶1混合均勻；

b、將鋰源與鈦源的混合物在高溫爐內以1～50℃/分鐘的升溫速度升溫至600～1000℃，恒溫3～72小時，隨爐冷卻至室溫，得到化學計量比的鈦酸鋰純相；

c、將鈦酸鋰純相先加入重量百分比為0.5～10的添加劑及重量百分比為100～900％的溶劑，通過攪拌磨或者超細磨進行球磨混合，并通過加熱蒸發干燥法、真空加熱干燥法或者噴霧干燥法進行干燥，所述添加劑為葡萄糖、蔗糖、淀粉、聚乙烯醇、酚醛樹脂、環氧樹脂和糠醛樹脂中的一種或者多種，所述溶劑為去離子水、乙醇或丙酮；