[發明專利]一種六方棱柱形鈮酸鈦負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010636316.5
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111740097B
• 公開（公告）日: 2021-08-06
• 發明（設計）人: 陳立鵬;陳念;黃興
• 申請（專利權）人: 駱駝集團武漢光谷研發中心有限公司
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/58;H01M10/0525;C01G33/00
• 代理公司: 武漢經世知識產權代理事務所(普通合伙) 42254
• 代理人: 邱雨家

本發明涉及鋰電池技術領域，特別涉及一種六方棱柱形鈮酸鈦負極材料及其制備方法。本發明提供了一種六方棱柱形鈮酸鈦負極材料及其制備方法。采用鈦源化合物、鈮源化合物、摻雜元素M化合物、碳源化合物和表面活性劑的混合懸浮液，通過水熱法制備出鈮酸鈦前驅體，顆粒形貌為六方棱柱狀；然后將該前軀體在氮氣氣氛保護下高溫焙燒得六方棱柱形鈮酸鈦負極材料。本發明制備的六方棱柱形鈮酸鈦負極材料20C倍率放電，其容量保持率為80％，高溫45℃循環50周，其容量保持率為100％，并且六方棱柱狀的單晶顆粒形貌使得材料具有更高的壓實密度(≥3.0g/cm³)。

技術領域

本發明涉及鋰電池電極材料及其制備技術領域，特別涉及一種六方棱柱形鈮酸鈦負極材料及其制備方法。

背景技術

近年來，隨著國家和地方政府的大力支持，電動汽車市場的需求量在不斷增長。電池安全性、快充能力、續航能力是決定動力電池發展的關鍵因素。

傳統鋰離子電池均采用碳類負極材料，該材料具有可逆容量高(理論372mAh/g)和充放電電壓低等優點，是目前發現的綜合電化學性能較好的材料。但碳類負極材料在過充電和大電流充電時，易造成鋰枝晶在其表面的沉積，而鋰枝晶容易刺破隔離正負電極的隔膜材料，從而引發電池微短路或局部過熱等安全隱患，這也就限制了動力電池在HEV、PHEV和EV中的使用條件，不能進行大功率充電，也不能低溫充電。因此，學術界和工程界均開始關注石墨以外的負極材料。

鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)材料具有嵌鋰電位高和體積零應變等特點，使其在快速充放電過程中具有良好的循環穩定性和優越的安全性，曾被認為是可替代石墨的理想負極材料。但是鈦酸鋰的比容量低(理論175mAh/g)及材料壓實密度低，導致鈦酸鋰電池能量密度低，價格成本高，無法滿足市場應用要求。

Goodenough先生于2011年(Chem.Mater.2011,23,2027-2029)首次報道將鈮酸鈦氧化物(NbTiO_x)應用于鋰離子電池的負極材料。鈮鈦氧化物與鈦酸鋰具有相近的脫嵌鋰電位，使其在快速充放電過程中同樣具有良好的循環穩定性和優越的安全性；但相比石墨和鈦酸鋰材料，該材料具有更高理論比容量(387-402mAh/g)和更高的電極片壓實密度(約石墨的兩倍)，因此，采用鈮酸鈦氧化物為負極材料的動力電池將具有更高的能量密度和更低的成本，從而彌補石墨負極的析鋰問題和鈦酸鋰負極的低能量問題。但是，該鈮酸鈦材料仍存在電子電導率低和離子擴散速率慢等問題，需繼續提升改善，否則將會限制該材料在動力電池產品中的應用。

東芝申請的中國專利申請201410317846.8號公開了摻雜包覆型鈮酸鈦氧化物的制備方法，并將其作為負極材料使電池具有較高的能量密度，然而采用此方法制備的鈮酸鈦氧化物材料在循環過程中材料結構晶型變化較大導致其循環性能和倍率性能較差，這將會限制材料的實際應用。浙江鋒鋰新能源公司申請的中國專利CN110311130A公開了一種核殼結構的鈮酸鈦負極材料制備方法，對核體鈮酸鈦材料進行噴霧包覆鈦酸鋰材料，通過對鈮酸鈦的核殼結構設計來提升材料的電子電導率和離子擴散速度，從而降低鈮酸鈦電芯的內阻并提升放電容量。但是，該發明的核殼結構容易在電芯的電極碾壓制片階段受到形貌破碎，從而失去核殼結構特征，失去材料性能改善效果，并且該制備工藝成本高昂，采用有機體系，安全隱患大。

因此，根據市場發展需求，需要制備一種較具有電子電導率高、離子擴散速率快、電極片壓實密度高的鈮酸鈦負極材料，從而實現鈮酸鈦電芯的優異電化學性能，具有高容量、長壽命和高功率特點。

發明內容