[發明專利]一種鈦酸鹽鋰離子電池負極材料的制備方法及其用途

在審

• 申請號: 202010519835.3
• 申請日: 2020-06-09
• 公開（公告）號: CN111607846A
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 李星;王超
• 申請（專利權）人: 寧波大學
• 主分類號: D01F9/10
• 分類號: D01F9/10;H01M4/485;H01M10/0525;B82Y30/00;B82Y40/00;C01G23/00
• 代理公司: 北京風雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 車英慧

本發明公開了一種鈦酸鹽鋰離子電池負極材料的制備方法及其用途，本發明以醋酸鑭，醋酸鋰以及鈦酸四丁酯為主要原料，合成紡絲前驅體，通過靜電紡絲技術和高溫煅燒，自然冷卻至室溫，得到所述的一種鈦酸鹽鋰離子電池負極材料。本發明制得的鋰離子電池負極材料離子電導率高，導電性好，容量高，循環性能好，具有廣泛的用途。在材料整個制備過程中，操作簡單，原料成本低，設備投資少，適合批量生產。

技術領域

本發明屬于材料化學領域，具體涉及一種鈦酸鹽鋰離子電池負極材料的制備方法及其用途。

背景技術

鋰離子電池自問世以來，迅速在數碼相機、手機和筆記本電腦等便攜電子設備領域應用掀起一場革命，為人們的日常生活提供了巨大的便利，直到今天依然占據著不可取代的地位，并且還在持續發展中。隨著人們對于環境保護的重視程度不斷加強以及石油、煤炭、天然氣等不可再生的傳統化石能源逐漸枯竭，世界各國都加強了對新能源的開發和利用。而不管是核能、太陽能，還是風能、水能、潮汐能，都需要轉化成電能才能供人類社會更好的利用。因此，以鋰離子電池為代表的電能存儲設備更將發揮出不可替代的作用。近幾年，新能源汽車行業強勢崛起，完全以鋰離子電池為驅動力的新能源汽車己經成為可能。我國明確提出要在2035年全部淘汰以燃油為動力的傳統汽車，世界各大著名汽車企業也紛紛加入到新能源汽車的研發和生產當中。行業的高速發展對鋰離子電池的性能提出了更高要求，尤其是功率密度、倍率性能和遠距離續航等性能還需要較大的提高。因此探究高性能的鋰離子電池依然是各國學者關注的熱點內容。

鋰離子電池與傳統的鉛酸電池、鎳氫電池等相比，具有能量密度大、循環性能優越、充放電方便、無污染、電壓穩定、無記憶性等優點，滿足了數碼相機、手機和筆記本電腦等便攜式電子設備等商品的需求，并得到了廣泛的認可。當前鋰離子電池的負極材料主要是以石墨為基礎的碳材料(Subrahmanyam Goriparti等人，Journal of Power Sources，2014，262，62-71)。這類材料倍率性能較差，無法滿足大電流快速充電，且由于其在充放電過程中不可避免的會產生鋰枝晶而造成電池短路，存在極大的安全隱患。而尖晶石型的鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)是一種倍率性能和循環性能異常優越的“零應變”材料，其理論電容量為175mAh/g，工作電壓為1.55V左右，避免了電解液分解現象和SEI膜的生成(Jaguemont，J.等人，Applied Energy，2016，164，99-114)，也不會產生鋰枝晶而帶來安全隱患。除了結構穩定性好，充放電過程中體積變化小之外，Li₄Ti₅O₁₂作為負極材料還具有以下優點：(1)Li₄Ti₅O₁₂有很長的充放電平臺，平臺容量較大，充電結束時電位迅速上升，可以避免過充電；(2)良好的結構穩定性不但帶來了優越的循環性能，而且使其能夠在更大的溫度范圍中工作，面對復雜多變的使用環境，比碳負極更具實用性。不過Li₄Ti₅O₁₂有兩個缺點限制了其進一步發展，第一，比容量比較低，理論比容量只有175mAh/g；第二，電導率低，室溫下，鈦酸鋰的電子電導率只有10^-13S/cm，鋰離子擴散系數只有2.7x10^-12cm²/S。這在動力學方面極大限制了鈦酸鋰的倍率性能，無法實現快速充放電。針對這些缺點，研究者們通常使用離子摻雜、設計納米結構、表面包覆和與高電導率材料進行復合等方式進行改性。

發明內容