[發明專利]一種寬電位窗口負極材料、及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201410198310.9
• 申請日: 2014-05-12
• 公開（公告）號: CN103985839B
• 公開（公告）日: 2017-01-04
• 發明（設計）人: 謝穎;伊廷鋒;付宏剛;于海濤;王琦;宋清山
• 申請（專利權）人: 黑龍江大學
• 主分類號: H01M4/131
• 分類號: H01M4/131;H01M4/1391
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙)11350
• 代理人: 湯東鳳

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種寬電位窗口負極材料、及其制備方法和應用。

背景技術

隨著各種電子設備以及電動汽車、混合動力汽車的發展，對為其提供能量的鋰離子電池提出了更高的要求。鋰離子電池的容量密度和能量密度較高，被公認為最有希望的動力電池。目前商用鋰離子電池負極材料大多采用各種嵌鋰碳/石墨材料，但是，碳材料的嵌鋰電位(0-0.26V)與金屬鋰的沉積電位很接近，當電池過充時，金屬鋰可能會在碳電極表面析出而形成鋰枝晶，枝晶進一步生長，則可能刺穿隔膜，造成正負極相接，從而引起短路；此外，碳材料還存在首次充放電效率低、與電解液發生作用、存在明顯的電壓滯后現象、制備方法比較復雜等缺點。與碳負極相比，雖然合金類負極材料一般具有較高的比容量，但鋰離子的反復嵌脫導致合金類電極在充放電過程中體積變化較大，逐漸粉化失效，因而循環性能較差。因此，尋找能夠代替碳材料并且電位比碳電極稍正、廉價易得、安全可靠的新型負極材料是目前鋰離子電池負極研究的重點。

尖晶石型鈦酸鋰Li4Ti5O12是一種“零應變”材料，在鋰離子嵌入脫出的過程中晶體結構能夠保持高度的穩定性，而使其具有優良的循環性能和平穩的放電電壓。且具有相對較高的電極電壓(1.55V)，在整個放電過程中不會出現金屬鋰的析出，大大提高了電極材料使用的安全性。但是Li4Ti5O12最大的不足是其電子電導和離子電導較低，從而在大電流充放電時容量衰減快、倍率性能較差，可逆容量遠不能達到所需的目標要求。因此，如何改善倍率性能成為Li4Ti5O12實用化進程的關鍵。目前，提高Li4Ti5O12性能的途徑主要有三個方面：制備納米粒徑材料、制備多孔結構材料及提高其電子電導率。前兩種方法具有過程復雜多變、能耗過大、成本較高等缺點，不利于實現大規模工業化生產。因此，通過制備一種Li4Ti5O12的復合物來提高Li4Ti5O12的電子電導率，進而提高其電化學性能具有非常廣泛的應用前景。

發明內容

本發明的目的在于解決上述現有技術存在的缺陷，提供一種一種寬電位窗口負極材料、及其制備方法和應用。

一種寬電位窗口負極材料，該材料的化學式為：aLi₄Ti₅O₁₂-bLi_3xLa_(2/3)-xTiO₃，其中3％≤b:a≤15％，0.05≤x≤0.15。

一種所述寬電位窗口負極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將摩爾比為4.5:5的氫氧化鋰和鈦酸四丁酯置于盛有一定量的有機溶劑的燒杯中，密封條件下攪拌10-16h，其中鈦酸四丁酯的物質的量為a摩爾，鈦酸四丁酯與有機溶劑的體積比為1:14-1:16；

(2)將鑭源、鈦酸四丁酯和鋰源在燒杯中混合，密封條件下攪拌12h，其中鈦酸四丁酯的物質的量為b摩爾，所述鋰源、鈦酸四丁酯和鑭源的金屬原子摩爾比為3x:(2/3-x):1，其中0.05<x<0.15，3％≤b:a≤15％；

(3)攪拌完后，將上述(1)、(2)兩溶液混合，加入一定量的去離子水，強力攪拌1min，轉移至密閉反應釜中在180-200℃保溫24-42h；冷卻后抽濾，在80-120℃干燥12-24h；其中鈦酸四丁酯與去離子水的體積比為1:14-1:16；

(4)將步驟(3)所得混合物放入馬弗爐中，400-800℃焙燒4-12h，冷卻至室溫后即得到Li₄Ti₅O₁₂-Li_3xLa_(2/3)-xTiO₃復合材料。

進一步得，如上所述寬電位窗口負極材料的制備方法，所述的鑭源為硝酸鑭、醋酸鑭中的一種。

進一步得，如上所述寬電位窗口負極材料的制備方法，所述鋰源為醋酸鋰、硝酸鋰、氫氧化鋰中的一種。

進一步得，如上所述寬電位窗口負極材料的制備方法，所述有機溶劑為乙醇、乙二醇、苯甲醇、丙酮、丙醇、異丙醇、抗壞血酸中的一種。

進一步得，如上所述寬電位窗口負極材料的制備方法，所述強力攪拌的轉速為2500-3500r/min。

一種所述寬電位窗口負極材料作為高性能鋰離子電池負極材料的應用。

本發明有益效果：