[發(fā)明專利]一種一步合成鈣鈦礦鎂離子電池負(fù)極材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710550412.6
• 申請(qǐng)日: 2017-06-29
• 公開（公告）號(hào): CN107364894B
• 公開（公告）日: 2019-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 水淼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 寧波吉電鑫新材料科技有限公司
• 主分類號(hào): C01G45/00
• 分類號(hào): C01G45/00;H01M4/48;H01M4/50;H01M10/054
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一種一步合成鈣鈦礦鎂離子電池負(fù)極材料及其制備方法，其特征為：該負(fù)極材料的組成為Mg_0.6Li_0.3K_0.1Ti_0.8Cu_0.1Mn_0.1O₃，制備過程中利用氣流攜帶反應(yīng)原料快速通過霧化的燒結(jié)助劑區(qū)域不均勻地粘附燒結(jié)助劑，然后在高溫管式爐中一步連續(xù)獲得產(chǎn)物并通過不均勻地粘附燒結(jié)助劑將產(chǎn)物顆粒部分粘結(jié)成為連續(xù)多孔形貌；這樣的形貌有利于降低晶界阻力及電子遷移阻力；加快氧化還原反應(yīng)的速率；還具有一定的結(jié)構(gòu)剛性；進(jìn)一步通過A位的Li、K共摻雜，提高了電子電導(dǎo)率；通過B位的Mn，Cu摻雜提高鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，最終形成高性能的鎂離子電池負(fù)極材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鎂離子電池負(fù)極材料制造方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子二次電池具有體積、重量能量比高、電壓高、自放電率低、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長、功率密度高等絕對(duì)優(yōu)點(diǎn)，目前在全球移動(dòng)電源市場有超過300億美元/年份額并以超過10％的速度逐漸增長。特別是近年來，隨著化石能源的逐漸枯竭，太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等新能源逐漸成為傳統(tǒng)能源的替代方式，其中風(fēng)能、太陽能具有間歇性，為滿足持續(xù)的電力供應(yīng)需要同時(shí)使用大量的儲(chǔ)能電池；汽車尾氣帶來的城市空氣質(zhì)量問題日益嚴(yán)重，電動(dòng)車(EV)或混合電動(dòng)車(HEV)的大力倡導(dǎo)和發(fā)展已經(jīng)到了刻不容緩的地步；這些需求提供了鋰離子電池爆發(fā)式增長點(diǎn)，同時(shí)也對(duì)鋰離子電池的性能提出了更高的要求。

鋰離子電池正負(fù)極材料的容量的提高是科技人員研究的首要目標(biāo)，高容量正負(fù)極材料的研發(fā)可以緩解目前鋰離子電池組體積大、份量重、價(jià)格高難以滿足高耗電及高功率設(shè)備需要的局面。然而自從1991年鋰離子電池商業(yè)化以來，正極材料的實(shí)際比容量始終徘徊在100-180mAh/g之間，正極材料比容量低已經(jīng)成為提升鋰離子電池比能量的瓶頸。相較于正極，負(fù)極材料容量的提升空間還很大，如錫及錫合金材料、硅及硅合金材料、各類過渡金屬氧化物[Md.Arafat Rahman，Guangsheng Song，Anand I.Bhatt，Yat Choy Wong，andCuie Wen，Nanosttuctured Silicon Anodes for High-Performance Lithium-IonBatteries，Adv.Funct.Mater.2016，26，647-678]等。但如若要兼顧材料的倍率性能、循環(huán)容量保持性能仍舊非常困難。其中主要原因有：1、電極材料在發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，同時(shí)要具有快速的鋰離子嵌入脫嵌及電子傳導(dǎo)，即同時(shí)具有良好的電子導(dǎo)電性和離子導(dǎo)電性，不少負(fù)極材料具有較高的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)，然而卻是電子絕緣體，也有的負(fù)極材料是良好的電子導(dǎo)體，然而鋰離子擴(kuò)散能力弱，從而使得電池的極化大幅度增加；2、不少電極材料在鋰離子嵌入和脫嵌的過程中有較大的體積變化，從而造成電極材料顆粒的破碎及有效電極材料在循環(huán)過程中的損失，大的體積變化同時(shí)也帶來充放電過程中材料晶格蛻變產(chǎn)生第二相而嚴(yán)重影響電池的性能。3、轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理的鋰電負(fù)極材料，反應(yīng)產(chǎn)物鋰化合物的電子絕緣性嚴(yán)重影響了材料的可逆性。

合金機(jī)理的鋰電負(fù)極材料及轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理的鋰電負(fù)極材料因?yàn)榇嬖诙嚯娮愚D(zhuǎn)移過程往往表現(xiàn)出較高的比容量，近年來金屬氧化物、硫化物、磷化物、碳酸鹽、氯化物作為典型的轉(zhuǎn)化合金反應(yīng)機(jī)理鋰電負(fù)極材料逐漸受到了關(guān)注。與傳統(tǒng)鋰離子電池電極材料的工作原理有所不同，傳統(tǒng)的鋰離子電池正極和負(fù)極都存在鋰離子可以嵌入或脫嵌的空間，而電解質(zhì)中的鋰離子在正極和負(fù)極之間來回嵌入和脫嵌而放電正如Armand等所提出的“搖椅”電池。而轉(zhuǎn)換材以+2價(jià)金屬氧化物為例，會(huì)發(fā)生類似如下的變化：

2Li⁺+MeO+2e^-→Li₂O+Me⁰

而在轉(zhuǎn)換反應(yīng)后，還可能會(huì)發(fā)生多種形式的合金過程，比如：

Li_m+Me⁰_n→Li_mMe⁰_n