[發明專利]一種鋰離子電池負極用黑色鈦酸鋰材料及其制備方法以及應用

有效

• 申請號: 202010429997.8
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111533163B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 江俊;朱青;羅毅;李鑫;楊麗;陳曉露;湯樂
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M10/0525;C01G23/00
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 任美玲

本發明提供了一種鋰離子電池負極用黑色鈦酸鋰材料的制備方法，包括以下步驟：將NaBH₄和CaH₂中的一種與白色Li₄Ti₅O₁₂粉末混合研磨，得到混合粉末；在保護性氣氛條件下，將所述混合粉末進行煅燒，得到黑色鈦酸鋰。本發明使用引入晶格氧空位的策略，對Li₄Ti₅O₁₂材料電導性質進行改性的簡便方法。通過這種方法，獲得了缺陷態的黑色Li₄Ti₅O₁₂材料，在保證晶格完整度的前提下，不引入雜質元素，有效提升了材料的電導率，降低了電池的內阻值，該黑色Li₄Ti₅O₁₂材料在大倍率充放電條件下顯示出比傳統白色Li₄Ti₅O₁₂更高的比容量和更好的循環性能。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及一種鋰離子電池負極用黑色鈦酸鋰材料及其制備方法以及應用。

背景技術

隨著新興電子設備的快速更新與發展，二次電池技術引起了世界范圍內的極大的關注。其中，鋰離子電池(LIB)具有高能量密度和出色的循環穩定性，已成為下一代最具潛力的電池之一。電極材料是電池的重要元素，包括正極和負極材料。其中石墨是最適用的負極材料，但是，盡管它具有較高的比容量，但仍存在許多問題。例如，石墨具有三個低鋰嵌入平臺(相對于Li⁺/Li的電位分別為0.08、0.12和0.20V)，這與鋰沉積的電勢非常接近，因而隨著電池充放電循環的進行，Li⁺可能會沉積在石墨上，最終會導致“鋰枝晶”的形成，這有可能刺穿隔膜而產生安全隱患。而且，較低的初始庫侖效率會極大地消耗來自陰極的大量Li⁺，降低電池的循環性能。此外，與酯類電解液的熱反應性活性高，難以在大倍率或低溫下工作的缺點也阻礙了石墨類電極材料廣泛的應用。

具有約1.55V(vs Li⁺/Li)的平坦工作電壓的尖晶石型鋰鈦氧化物(即Li₄Ti₅O₁₂)是鋰離子電池最受歡迎的負極材料之一。它比石墨更安全，其優異的熱穩定性、循環穩定性以及在Li⁺嵌入/嵌出過程中結構變化可忽略不計而被稱為“零應變”材料，成為理想的高安全性鋰離子電池負極材料，受到了世界范圍內的廣泛研究，被認為是理想的碳基負極材料替代品，特別是對于高功率要求的電池。然而Li₄Ti₅O₁₂也有其致命的缺點：電導性差。這一缺點造成Li⁺擴散系數低，降低了Li₄Ti₅O₁₂的電化學性能，限制了其實際應用。近年來，對Li₄Ti₅O₁₂的電化學性能進行了一些改進，改善電導率的最常用的修飾手段包括通過陽離子或陰離子雜質的摻入，表面碳包覆改性和構造3D骨架結構等。改性后的Li₄Ti₅O₁₂可以與LiMnO₂、或LiFePO₄等正極材料組成電壓為2.4V或1.9V的鈦酸鋰二次電池，其最大的優勢是安全性高、充電速度快、循環壽命長、耐寬溫性能良好。

盡管在改性Li₄Ti₅O₁₂材料來提升其在電池中的性能方面已經有一些報道了，然而這些方案在實際生產制備過程中，需要繁瑣的工藝步驟，消耗各種貴重的化學原料，使得電池成本上升，價格變高，降低了市場競爭力。

發明內容

有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種鋰離子電池負極用黑色鈦酸鋰材料及其制備方法以及應用，本發明提供的鋰離子電池負極用黑色鈦酸鋰材料制備方法簡單，并且具有良好的電學性能。