[發(fā)明專利]一種鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710288801.6
• 申請日: 2017-04-27
• 公開（公告）號(hào): CN106887580B
• 公開（公告）日: 2019-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊娟;周向陽;王標(biāo);聶陽;田航宇;陳三妹;程芳燕
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/48;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 顏勇

本發(fā)明涉及鋰離子電池技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的負(fù)極材料為納米氧化鈦與高導(dǎo)電性碳材料的原位復(fù)合物，其以多孔片狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)碳作為骨架，在骨架的片層上及孔徑中均勻的填充有納米二氧化鈦顆粒。其制備方法為：以氧化石墨烯作為第一碳源，以A作為第二碳源、以B作為摻雜源；將三者加入溶劑中混合均勻后，在160～200℃進(jìn)行反應(yīng)，得到有元素?fù)诫s的交聯(lián)態(tài)碳材料；然后采用高溫堿蝕，形成多孔片狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的碳骨架，接著通過水解含鈦有機(jī)物和高溫處理得到成品。本發(fā)明制備工藝簡單，原料成本低廉、合成溫度低；所得產(chǎn)品具有體積膨脹小、導(dǎo)電性高、比容量高、良好的倍率性能及優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋰離子電池材料領(lǐng)域，具體涉及一種長循環(huán)壽命鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

鋰離子電池作為一種新型的儲(chǔ)能器件，具有能量密度大，循環(huán)壽命長和環(huán)境友好等優(yōu)勢，在筆記本電腦、手機(jī)、小型攝像機(jī)等領(lǐng)域上有著廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋰離子電池已經(jīng)被應(yīng)用到新能源汽車、航空航天、智能電網(wǎng)等高科技領(lǐng)域中。負(fù)極材料是鋰離子電池的關(guān)鍵材料之一，影響著電池的各項(xiàng)電化學(xué)性能。目前商業(yè)化廣泛使用的石墨材料存在理論容量較低，嵌鋰電位接近鋰的生成電位，這使得鋰枝晶極易生長，進(jìn)而引起的安全性問題。同時(shí)在反復(fù)充放電過程中，石墨片層容易剝離進(jìn)而導(dǎo)致電池的循環(huán)性能下降等問題。因此，開發(fā)安全性好、低成本、高容量、長壽命的新型負(fù)極材料對下一代鋰離子電池發(fā)展及其下游產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革新具有十分重要的意義。

過渡金屬氧化物作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，通常具備較高的理論容量和豐富的儲(chǔ)存量等優(yōu)勢，已成為研究人員廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。其中鈦氧化物作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，在脫嵌鋰過程中的體積變化小，具有優(yōu)異的循環(huán)性能與良好的安全性能。然而鈦氧化物負(fù)極材料在實(shí)際應(yīng)用中還存在以下缺陷：實(shí)際比容量、電子電導(dǎo)率和離子傳導(dǎo)率均較低，從而制約了其在容量型及功率型鋰離子電池中的應(yīng)用。

為了解決上述問題，有研究人員對鈦氧化物負(fù)極材料進(jìn)行復(fù)合改性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？偟膩碚f，他們所采用的方法主要有兩大類：第一類方法是將鈦氧化物材料納米化，以此縮短離子傳輸路徑，改善倍率性能。如Bao等人(Electrochem.Commun.,2007,9(5):1233-1238)提供了一種通過二元熔融鹽制備納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦的新方法，并發(fā)現(xiàn)該化合物具有良好的循環(huán)性能和高的比容量。第二類方法是將鈦氧化物與高導(dǎo)電性材料復(fù)合，以此提高電極的電子導(dǎo)電性。具有導(dǎo)電作用的組分可以是碳材料，也可以是各種金屬或?qū)щ娋酆衔?。如Yang等人(RSC Advances,2011,1(9):1834-1840)通過水熱合成技術(shù)制備出具有核殼結(jié)構(gòu)的TiO₂納米管與SnO₂復(fù)合材料，以此提高比容量并改善循環(huán)穩(wěn)定性。

然而，現(xiàn)有技術(shù)中，為獲得納米氧化鈦，普遍存在制備方法復(fù)雜，原料成本昂貴，納米顆粒極易二次團(tuán)聚等問題，同時(shí)，所得產(chǎn)品中也存在氧化鈦與導(dǎo)電基體的復(fù)合也存在結(jié)合不牢、容易脫落、長循環(huán)性能不佳等問題，因此上述方法均不適合在商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)中使用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明主要目的是解決目前技術(shù)存在的問題，提供一種制備方法簡單，對環(huán)境友好，具有高容量、優(yōu)秀倍率性能及優(yōu)異循環(huán)性能的鋰離子電池二氧化鈦負(fù)極材料，該材料能有效改善現(xiàn)有的鈦氧化物導(dǎo)電性差和碳負(fù)極材料循環(huán)性能不好等問題。

本發(fā)明一種鋰離子電池負(fù)極材料，包括二氧化鈦納米顆粒和多孔片狀交聯(lián)結(jié)構(gòu)的碳骨架，所述納米二氧化鈦顆粒均勻地分散在碳材料片層上及孔徑之中。

作為優(yōu)選，所述納米二氧化鈦顆粒的粒徑為5nm～50nm，所述碳骨架的孔徑大小為50nm～100nm，片層厚度為0.5～2μm。

作為優(yōu)選，所述碳骨架含有摻雜原子，所述摻雜原子選自氮、硫、磷中的至少一種。作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述碳骨架含有摻雜原子，所述摻雜原子的摻雜量為5％～10％。

作為優(yōu)選，納米二氧化鈦和碳骨架的質(zhì)量比為3:1～5:1。