[發明專利]一種材料及其制備以及含有該材料的鋰離子電池電極活性物質、電極材料、電極和電池

在審

• 申請號: 201310336607.2
• 申請日: 2013-08-05
• 公開（公告）號: CN104347863A
• 公開（公告）日: 2015-02-11
• 發明（設計）人: 金虹;潘廣宏;薛嘉漁;王憲宏
• 申請（專利權）人: 神華集團有限責任公司;北京低碳清潔能源研究所
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/131;H01M10/0525
• 代理公司: 北京潤平知識產權代理有限公司 11283
• 代理人: 王崇;劉國平

技術領域

本發明涉及一種材料及其制備以及含有該材料的鋰離子電池電極活性物質、電極材料、電極和電池。?

背景技術

人們對鈦酸鹽負極材料的關注可以追溯到20世紀90年代初。當時，Dahn(K.M.Colbow,J.R.Dahn,R.R.Haering,J.Power?Sources26(1989)397.)、Thackeray(E.Ferg,R.J.Gummow,A.de?Kock,M.M.Thackeray,J.Electrochem.Soc.141(1994)L147.)、以及Ohzuku(T.Ohzuku,A.Ueda,N.Yamamoto,J.Electrochem.Soc.142(1995)1431)等人相繼報道了尖晶石鋰鈦氧化物的嵌鋰特性。在Hydro-Québec’s研究中心的KarimZaghib博士認識到尖晶石結構鋰鈦氧化物Li₄Ti₅O₁₂不僅可以用作高電位的負極材料，而且也可以和碳材料組成超級電容器（A.Guerfi,S.Sévigny,M.Lagacé,P.Hovington,K.Kinoshita,K.Zaghib,J.Power?Source,2003,119-121,88）。?

尖晶石型鋰鈦氧（Li₄Ti₅O₁₂，以下簡稱LTO）被認為是最安全的用于鋰離子電池的負極材料之一。LTO的獨特的化學、物理特性使之成為很有前途的鋰離子電池負極材料。首先，它是所謂的零應變材料（zero-strain?material），例如，在電池的充、放電過程中，它的體積不會改變，因此具有很長的循環壽命以及優異的容量保持率。第二，LTO相對于電解液具有低活性，并且在循環過程中不會產生SEI膜層（固體電解液界面膜，Solid?Electrolyte?Interface）。該特性提高了電池安全性，特別是提高了電池在嚴酷使用條件下的安全性。零SEI膜的特性還有助于在較寬的溫度范圍內延長電池的循環壽?命和提高其充、放電性能。例如，LTO電池在-40℃，倍率充放電的情況下能夠提供超過40%的初始容量。第三，LTO的相對于Li的電勢較高，在循環過程中，沒有Li枝晶能夠形成于負極的表面，由此大大提高了LTO電池的安全性。?

雖然LTO的對Li的高電勢阻止了枝晶的形成，但是，另外一面，它也限制了LTO電池的能量密度——當LTO作為電池的負極，LTO的高對Li電勢降低了全電池的可利用電壓。因此，在采用LTO作為負極的全電池體系中，為了達到期望的電池組開路電壓，則需要將更多的電池單體串聯連接。另一個問題是，LTO的電子電導率較低，約為10^-13-10^-9S/cm。LTO的Ti位3d態有空位存在，禁帶能量約為2eV，因此該材料導電性不佳，呈現一定的絕緣體的性質。在充放電過程中電子無法像在良導體中一樣自由移動，因此以LTO為電極材料的電池總體來講倍率性能不佳。?

為了解決上述問題，人們付出很大的努力致力于形形色色的合成方法以獲得性能更好的LTO材料。比如，從減小LTO顆粒的大小入手，P.G.Bruce等人以新穎的合成方法合成了具有高倍率性能的納米級LTO顆粒(P.G.Bruce,B.Scrosati?and?J.M.Tarascon,Angew.Chem.-Int.Edit.,2008,47,2930-2946;D.Deng,M.G.Kim,J.Y.Lee,J.Cho,Energy?&?Environmental?Science?2009,2,818.;US2003/0017104A1)。再比如，A.D.Pasquier等人從LTO顆粒的微觀結構入手，合成出具有納米二次結構的微米級LTO顆粒以獲得更好的倍率性能(A.Du?Pasquier,C.C.Huang,T.Spitler,J.Power?Sources?2009,186,508)。但是，LTO電池的低能量密度的問題仍然存在。?

發明內容

本發明的發明目的是提供一種新的材料，以及能在可充電鋰離子二次電池中的應用，即，含有該材料的鋰離子電池電極活性物質、電極材料、電極?和電池。?

本發明的一個方面是：提供一種材料，其中，該材料具有如下通式：Li₃(LiTi_5-0.5yA_y)O₁₂，其中，A選自Mg、Zn和Cu中的至少一種，0＜y≤0.8，優選0.1≤y≤0.6。?