[發(fā)明專利]一種鈦酸鋰材料及其制備方法和在鋰離子電池中的應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2013-10-18
• 公開（公告）號: CN103500823A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙金保;崔王君
• 申請（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務(wù)所(普通合伙) 35200
• 代理人: 馬應(yīng)森

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池，尤其是涉及一種鈦酸鋰材料及其制備方法和在鋰離子電池中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

在石油資源日益枯竭、油價節(jié)節(jié)攀升和全球的環(huán)境污染日益加劇的情況下，有關(guān)節(jié)能型清潔車（如電動汽車、油電混合車和燃料電池汽車等）的相關(guān)研究工作正在迅猛發(fā)展。目前，科學(xué)家普遍認為油點混合汽車將最有可能取代內(nèi)燃機汽車。油電混合車的工作原理是利用大功率電池的脈沖放電來啟動汽車和對汽車進行加速，利用剎車和勻速行駛時產(chǎn)生的能量對電池進行有效地充電。與普通的內(nèi)燃機汽車相比，油電混合車能夠?qū)⑵偷氖褂眯侍岣?0%以上。此外，它所排放的尾氣污染物的含量也會由于汽油的充分燃燒而大大降低。因此，未來的油電混合車的廣泛普及將在某種程度上減輕交通能源短缺和城市環(huán)境污染方面的問題。

目前，科學(xué)家認為決定油電混合汽車性能好壞的關(guān)鍵因素在于它所采用的電池系統(tǒng)。在目前所有的電池系統(tǒng)中，鋰離子電池能夠更好地滿足混合車對功率輸出、行駛距離、加速能力、使用壽命和能量密度的要求。此外，電動車要求儲能系統(tǒng)具有比能量高、比功率大、自放電少、價格低廉、使用壽命長及安全性好等特性。鋰離子電池，具有能量密度大、循環(huán)壽命長、工作電壓高、無記憶效應(yīng)、自放電小、工作溫度范圍寬等優(yōu)點，是目前電動車儲能系統(tǒng)的首選，成為近年來研究開發(fā)的熱點和重點。

鋰離子電池負極材料作為提高鋰離子二次電池能量及循環(huán)壽命的重要因素，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的研究。目前，商用的鋰離子電池主要采用石墨及改型石墨（碳素材料）作為負極材料，然而石墨的理論容量偏低，其利用率已經(jīng)達到了它的極限（372mAh/g），開發(fā)具有更高容量的新一代鋰離子電池已經(jīng)成為當前鋰離子電池領(lǐng)域研究的熱點。作為高容量負極材料，合金類負極材料、硅負極材料、金屬氧化物,氮化物,硫化物和氟化物等，由于首次效率太低和體積膨脹較大，活性材料粉化脫落導(dǎo)致循環(huán)性較差的問題難以解決,使其改性與應(yīng)用有較大難度，應(yīng)用的前景不大。

以尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂作為代表的鈦基負極材料作為一類新型的負極材料，由于其（以Li₄Ti₅O₁₂為例）相對于金屬鋰具有較高的電極電位（1.55V左右），抑制了金屬鋰在負極上析出，從根本上解決了鋰枝晶引起的短路問題，提高了電池的安全性，同時，Li₄Ti₅O₁₂是一種“零應(yīng)變”材料，具有優(yōu)良的循環(huán)性能和平穩(wěn)的放電電壓，這對要求電壓穩(wěn)定的電子器件來說尤為重要。為此鈦酸鋰材料成為當前的研究熱點。但是，鈦酸鋰負極材料的電導(dǎo)率很低，導(dǎo)電性較差，高倍率下的性能較差，應(yīng)用于油電混合車、大型儲能電池等領(lǐng)域受到了極大的限制。

鈦基負極材料的顆粒尺寸、顆粒與電解液的接觸面積及材料的導(dǎo)電性是影響其高倍率性能的主要因素。目前，可提高鈦基負極材料倍率性能的主要途徑有：（1）減小材料尺寸（2）碳摻雜包覆（如：公開號為CN?101465213A的中國發(fā)明專利申請公開了一種制備碳包覆鈦酸鋰的方法）。（3）離子摻雜。然而，上述3種改性方法均有其局限性或不足。通過在鈦酸鋰表面制備一層氮化鈦層，可以提高材料的導(dǎo)電性能，如公開號為CN?101728517?A的中國發(fā)明專利申請公開以尿素為氮源通過熱氮反應(yīng)在鈦酸鋰表面制備一層氮化鈦薄膜。公開號為CN?102013476A的中國發(fā)明專利申請則是以有機胺源尿素、縮二脲、單氰胺、二聚氰胺在鈦酸鋰表面制備氮化鈦薄膜。然而由于無機銨鹽難于直接與鈦酸鹽作用，因此以無機銨鹽制備氮化鈦薄層的方法未見報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種鈦酸鋰材料及其制備方法和在鋰離子電池中的應(yīng)用。

所述鈦酸鋰材料包括本體鈦酸鋰材料，在本體鈦酸鋰材料表面或本體鈦酸鋰材料內(nèi)部孔道上具有富氮組分氮化鈦。

所述本體鈦酸鋰材料可為尖晶石型Li₄Ti_5-xM_xO₁₂，其中M為本體材料摻雜元素，0.1<x<1，所述本體材料摻雜元素包括Mg、Cr、Al、Co、Fe、V、Ni、Al、Zn、Cu等離子中的至少一種；所述鈦酸鋰材料的顆粒尺寸可為10～100nm，優(yōu)選10～50nm。

所述富氮組分氮化鈦分布在本體鈦酸鋰材料表面或本體鈦酸鋰材料內(nèi)部孔道，存在形式為表面包覆或均勻嵌入方式；所述富氮組分氮化鈦中所含氮化鈦組分的質(zhì)量百分比含量可為1%～20%，優(yōu)選為2%～6%。