[發明專利]一種制備鈦酸鋅鋰/碳納米復合負極材料的方法

在審

• 申請號: 201510908232.1
• 申請日: 2015-12-10
• 公開（公告）號: CN105514372A
• 公開（公告）日: 2016-04-20
• 發明（設計）人: 任玉榮;盧鵬;丁建寧;黃小兵
• 申請（專利權）人: 常州大學;江南石墨烯研究院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/485;H01M4/587;H01M10/0525
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技術領域

本發明涉及鋰離子電池制造技術領域，特別是一種制備鈦酸鋅鋰/碳納米復合負極材料的方法。

背景技術

鋰離子電池因具有比能量高、自放電小、循環壽命長、無記憶效應和對環境污染小等優點，已在小型便攜式動力設備、電動車及混合電動車等領域廣泛應用。目前，商品化的鋰離子蓄電池負極材料主要是碳，但是碳負極的電位與鋰的電位很接近，電池過充時，金屬鋰可能在碳電極表面析出而引發安全問題。因此，大量研究工作者開始致力于開發新型負極材料。尖晶石型鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)被認為是一種很有希望代替碳的負極材料，具有優越的特性：零應變，循環性能優異；不與常用電解液發生反應，安全性好；環境友好，容易制備，成本低等。但是Li₄Ti₅O₁₂的理論容量(175mAhg^-1)較低，其嵌鋰電位(vs.1.55Li⁺/Li)較高，導致全電池的比容量低、能量密度下降。隨著電子工業、電動汽車及航空航天技術的進步，對鋰離子電池的綜合性能提出了更高的要求，尤其包括更高安全性能、低成本、長循環壽命、高功率密度和能量密度。鋰離子電池組成材料的性能和制備工藝在很大程度上決定了電池的性能，因此要實現鋰離子電池綜合指標的突破，至關重要的“瓶頸”是如何設計和發展新型電極材料。

近年來，鈦酸鋅鋰(Li₂ZnTi₃O₈)作為一種新型負極材料，引起研究者們關注。與鈦酸鋰相比，鈦酸鋅鋰具有明顯優勢：理論容量較高，嵌鋰電位低(約0.5V)，有利于提高全電池能量密度。但Li₂ZnTi₃O₈的電導率低，導致其高倍率性能差，這極大制約了其推廣與應用，尤其在動力電池這一全球矚目的領域，材料的高倍率工作特性是決定其能否大規模商業化應用的關鍵因素之一，因此提高Li₂ZnTi₃O₈的高倍率性能成為目前研究者們關注的核心課題之一。

發明內容

為了改善Li₂ZnTi₃O₈電導率低的等問題，本發明提出了一種制備鈦酸鋅鋰/碳納米復合負極材料的方法，以提高其高倍率條件下的比容量。

本發明采用的技術方案為：

(1)懸浮液的制備：稱量乙酸鋰、乙酸鋅、碳源(優選酚醛樹脂)，先后溶于無水乙醇，形成黃色溶液；加入納米二氧化鈦，超聲20～60min后磁力攪拌1～3h，制得懸浮液，

其中，乙酸鋰，乙酸鋅和納米二氧化鈦摩爾比以Li：Zn：Ti＝2:1:3計量；酚醛樹脂的量按目標產物質量的1～20％計量；

(2)干燥：將步驟1)所述懸浮液在80～90℃的油浴中蒸干后，于100～120℃下真空干燥得鈦酸鋅鋰/碳復合前驅體；

(3)高溫反應：將步驟2)所述鈦酸鋅鋰/碳復合前驅體在氬氣氛圍中熱處理至反應完成，得到目標產物鈦酸鋅鋰/碳復合負極材料；其中，所述熱處理是在600～800℃下焙燒5～15h。

本發明的有益效果是：本發明首次將酚醛樹脂應用于鈦酸鋅鋰電極材料體系中，通過將鈦源、鋅源、鋰源和酚醛樹脂球磨混合，制備均勻前驅體，在焙燒過程中，酚醛樹脂裂解成碳，均勻的包覆在鈦酸鋅鋰表面，從而合成鈦酸鋅鋰/碳納米復合材料。

在熱處理過程中，酚醛樹脂受熱分解得到的碳，一方面可以抑制Li₂ZnTi₃O₈在合成過程中顆粒長大，促進小顆粒鈦酸鋅鋰的形成，從而增大了與電解液接觸面積、縮短了鋰離子的遷移路徑，使之具有更好的倍率性能；另一方面，碳提高電子導電性，使電子在大倍率環境工作時傳導更順暢。與已有技術不同之處在于，本發明以含芳香結構的酚醛樹脂為碳源，制備鈦酸鋅鋰/碳復合負極材料的工藝簡單、安全、成本低廉，所得鈦酸鋅鋰/碳復合負極材料粒徑為納米尺寸，具有較高的充放電容量、良好的倍率性能；其次，酚醛樹脂在熱處理過程中會裂解生成碳，鈦離子是多價的，而碳未改變鈦離子價態，未影響Li₂ZnTi₃O₈晶體的形成；此外，酚醛樹脂的加入也未導致雜相的生成。