[發(fā)明專利]一種具有多級(jí)碳包覆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用

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• 申請(qǐng)日: 2019-01-17
• 公開（公告）號(hào): CN109786705A
• 公開（公告）日: 2019-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張軍峰;侯士峰;徐繼正;臺(tái)利芝;劉夢(mèng)瑤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 禹城貝爾新材料有限公司
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/485;H01M4/62;H01M10/0525
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本發(fā)明涉及一種具有多級(jí)碳包覆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用，通過(guò)在TiO₂制備過(guò)程中進(jìn)行新型導(dǎo)電碳材料的摻雜實(shí)現(xiàn)鈦酸鋰原料前驅(qū)體中的原位內(nèi)部碳摻雜，再通過(guò)外部二次包碳合成具有內(nèi)部新型碳材料摻雜外部具有常規(guī)碳包覆的多級(jí)碳包覆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料。本發(fā)明具有多級(jí)碳包覆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料，可實(shí)現(xiàn)大倍率下的快速充放電并充分發(fā)揮材料粒子內(nèi)部活性物質(zhì)的容量，適用于鋰離子二次電池電極材料。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有多級(jí)碳包覆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料及其制備方法，可應(yīng)用于鋰離子二次電池，屬于鈦酸鋰負(fù)極材料合成技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

Li₄Ti₅O₁₂作為鋰離子電池負(fù)極材料，在充放電時(shí)鋰離子的嵌入和脫出對(duì)材料結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響，被稱為零應(yīng)變材料，且能夠在零下50℃至75℃的范圍內(nèi)正常使用，因此是應(yīng)用于動(dòng)力電池的優(yōu)選材料之一。但是由于鈦酸鋰材料是一種半導(dǎo)體材料，鋰離子和電子導(dǎo)電性較差，導(dǎo)致制成的鋰離子電池高倍率充放電時(shí)極化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，鈦酸鋰粒子內(nèi)部容量難以發(fā)揮，倍率性能欠佳。

為了提高鈦酸鋰電子導(dǎo)電性和鋰離子傳輸性，通常采用納米化、金屬離子摻雜和碳包覆等方法。其中最常用的是碳包覆，可提高材料的導(dǎo)電性和鋰離子傳輸性，但也會(huì)遇到因碳包覆不均勻或碳材料導(dǎo)電性差而導(dǎo)致的材料粒徑均一性差和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不完整的問(wèn)題，從而影響材料整體的大倍率充放電性能；

摻雜或包覆新型導(dǎo)電劑碳材料，利用石墨烯、碳納米管等形成的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，可以提高顆粒間及顆粒與集流體間的電接觸和電子導(dǎo)電性，同時(shí)新型碳材料具有較高的比表面積。可以吸附并儲(chǔ)存電解液，為鋰離子和電子的傳輸提供通道，達(dá)到提高倍率特性和循環(huán)性能。如中國(guó)專利申請(qǐng)(公開號(hào)CN101630732A)公開了一種碳納米管負(fù)載納米級(jí)鈦酸鋰復(fù)合材料制備方法，該方法將碳納米管分散液與鈦源、鋰源及摻雜元素一起混合均勻，加熱干燥制得鈦酸鋰前驅(qū)物，惰性氣體下燒結(jié)得到碳納米管復(fù)合鈦酸鋰的材料；中國(guó)專利 (公開號(hào)CN102376937A)中公開了一種納米鈦酸鋰/石墨烯的制備方法，該方法采用已制備好的微米級(jí)鈦酸鋰與石墨烯混合球磨，提高材料的倍率和循環(huán)性能。上述專利均只是在鈦酸鋰材料表面包覆碳納米管或石墨烯等，而材料粒子內(nèi)部仍然缺乏有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在大倍率充放電下，鋰離子和電子難以快速傳輸?shù)搅Ｗ觾?nèi)部，不能充分發(fā)揮材料容量。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明的目的之一是提供一種具有多級(jí)碳包覆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料，可實(shí)現(xiàn)大倍率下的快速充放電并充分發(fā)揮材料粒子內(nèi)部活性物質(zhì)的容量。

同時(shí)，本發(fā)明的另一目的還在于提供一種上述鈦酸鋰負(fù)極材料的制備方法，通過(guò)在TiO₂制備過(guò)程中進(jìn)行新型導(dǎo)電碳材料的摻雜實(shí)現(xiàn)鈦酸鋰原料前驅(qū)體中的原位內(nèi)部碳摻雜，再通過(guò)外部二次包碳合成具有內(nèi)部新型碳材料摻雜外部具有常規(guī)碳包覆的多級(jí)導(dǎo)電碳網(wǎng)絡(luò)的鈦酸鋰負(fù)極材料。

再次，本發(fā)明還提供了上述鈦酸鋰負(fù)極材料作為鋰離子二次電池電極材料的用途。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

本發(fā)明中提供一種具有多級(jí)碳包覆網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負(fù)極材料的制備方法，步驟包括：

（1）將鈦酸四丁酯、無(wú)水乙醇、新型導(dǎo)電碳材料以及輔助添加劑混合均勻，得乙醇分散液；

（2）劇烈攪拌下，優(yōu)選攪拌轉(zhuǎn)速500-1000 rpm，向步驟（1）分散液中加入水優(yōu)選去離子水，得到懸浮乳液；

（3）將步驟（2）的懸浮乳液加熱，進(jìn)行水熱反應(yīng)；

（4）步驟（3）反應(yīng)體系真空過(guò)濾如采用循環(huán)水真空泵，過(guò)濾得到的沉淀物用無(wú)水乙醇洗滌（優(yōu)選洗滌三遍，每次采用與步驟（3）反應(yīng)液等體積的無(wú)水乙醇），然后干燥，優(yōu)選60℃真空干燥12 h，形成納米級(jí)原位摻雜新型導(dǎo)電碳材料的二氧化鈦前驅(qū)體；