[發(fā)明專利]一種鋰離子電池負極材料鈷包覆的鈷鉻鈦酸鋰及其合成方法

有效

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• 申請日: 2014-12-29
• 公開（公告）號: CN104600288B
• 公開（公告）日: 2017-01-11
• 發(fā)明（設計）人: 常程康;郭倩;鄧玲;蔡元元;王永強;陳茜
• 申請（專利權(quán)）人: 上海應用技術(shù)學院
• 主分類號: H01M4/525
• 分類號: H01M4/525;H01M4/131;H01M4/1391
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 吳寶根,馬文峰

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及一種鋰離子電池負極材料鈷包覆的鈷鉻鈦酸鋰（Co/Li₃Ti₄CoCrO₁₂）的合成方法，屬于新能源材料領域，在鋰離子電池領域具有廣泛應用前景。

背景技術(shù)

人類的生存和發(fā)展都離不開能源的支撐。長時間以來，人類獲取能量的重要來源是傳統(tǒng)的化石燃料。然而，化石燃料燃燒時不僅利用效率低，而且會釋放出大量溫室氣體，甚至是有害氣體，從而給環(huán)境帶來極大的威脅。隨著今后經(jīng)濟的增長，能源的供應量還要增長，但是我國又存在人口眾多的問題，如果在中國選擇與發(fā)達國家一樣的能源消耗方式，如何解決中國的能源供應問題就顯得至關重要。為了更好的應對環(huán)境污染及能源枯竭帶來的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)低碳社會就要求我們研究開發(fā)出高效、安全、無污染和可再生的新能源，其中最重要的研究方向之一便是對化學電源研究——利用化學能和電能之間的相互轉(zhuǎn)換研制出高效無污染并且可再生的高能化學電源。

世界上第一個化學電源——“伏打電池”于19世紀初期產(chǎn)生之后，經(jīng)由數(shù)次電源技術(shù)革命，化學電源在幫助人類處理環(huán)境污染和能源危機的過程當中起到了極其重要的作用。新型的化學電源——二次鋰電池，由于其電壓高，重量輕、體積小、比容量大、無記憶效應、循環(huán)壽命長、可快速充放電和無環(huán)境污染等一系列非常顯著的優(yōu)點而倍受關注，并且獲得了急劇地發(fā)展。現(xiàn)在二次鋰電池的商業(yè)化產(chǎn)品已被廣泛應用于純電動車（EV）、插電式電動車（PHEV）、混合動力電動車（HEV）、便攜式電子設備（Portable?Electronics）、能量存儲裝置（Energy?Storage）等。

目前，商品化的鋰離子電池負極材料大多采用各種碳材料，但是碳材料作為負極在實際應用中還有一些難以克服的弱點，例如，碳負極的電位大約在0.1V，當電池過充電時，碳電極表面易析出鋰枝晶而引發(fā)安全性問題；石墨負極是一種層狀結(jié)構(gòu)，在鋰離子嵌入嵌出時會發(fā)生變形，降低了石墨負極的使用壽命。為了解決鋰電池的安全問題，人們做了大量的研究。

加拿大研究者K.Zaghib在1996年第一次提出了選用鈦酸鋰作為負極材料與高電壓正極材料構(gòu)成鋰離子蓄電池，或者與碳電極組成電化學混合電容器(?K.?Zaghib,?Solid?state?lithium?ion?batteries?using?carbon?or?an?oxide?as?negative?electrode,?Proceedings?of?Lithium?Polymer?Batteries?(ISBN?1?56677?167?6))。之后，日本的研究者小柴信晴等人也開展了對鈦酸鋰作為鋰離子負極材料的研究。尖晶石型鈦酸鋰具有Li⁺三維擴散通道，能夠進行大倍率充放電，并且在充放電過程當中材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不變，因此被稱為“零應變”材料，具有極佳的循環(huán)性能和安全性能，所以尖晶石型鈦酸鋰被認為是理想的鋰離子電池負極材料。但是，由于Li4Ti5O12電子電導率低導致其在高倍率下電化學性能較差。針對這一情況很多學者開始研究鈦酸鋰的改性。

Hany?El-Shinawi等人采用改性的溶膠-凝膠法制備出雙離子摻雜鈦酸鋰材料（Li₃Ti₄NiMnO₁₂?and?Li₃Ti₄NiCrO₁₂:?New?substituted?lithium?titanium?oxides，Solid?State?Sciences,?22?(2013)?65-70），所制備的鉻鎳鈦酸鋰在0.2C倍率下首次放電比容量為156mAh/g，接近理論比容量，具有較好的電化學性能。有望在動力電池領域具有良好的應用前景。但是其循環(huán)穩(wěn)定性較差，10個充放電循環(huán)后，比容量的衰減了20%。而且采用溶膠-凝膠法制備的鉻鎳鈦酸鋰成本比較高，產(chǎn)出率比較低，生產(chǎn)工序復雜，不適合產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

通過以上分析，現(xiàn)有的鈦酸鋰負極材料存在充放電循環(huán)穩(wěn)定性差，材料的電子電導率低，成本比較高，操作工藝復雜、不易實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)、電池在充放電過程中存在脹氣等問題，需要研發(fā)新型鈦酸鹽材料滿足電池產(chǎn)業(yè)的需求。

發(fā)明內(nèi)容