[發明專利]插有鋰的二氧化鈦、由其制得的鈦酸鋰顆粒以及相應的方法

有效

• 申請號: 202110180652.8
• 申請日: 2015-03-30
• 公開（公告）號: CN112744857B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發明（設計）人: 傅國義
• 申請（專利權）人: 東納斯公司
• 主分類號: C01G23/00
• 分類號: C01G23/00;B82Y30/00;H01M4/485;H01M10/0525
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司 11287
• 代理人: 張世俊

本申請涉及插有鋰的二氧化鈦、由其制得的鈦酸鋰顆粒以及相應的方法。所述方法包括形成包含二氧化鈦前體顆粒和鋰化合物水溶液的混合物；以及在密封的壓力容器中，在升高了的溫度下加熱所述混合物，以形成插入了鋰的二氧化鈦顆粒，其中，選自以下的至少一種粒度特征基本上未被所述加熱步驟改變：二氧化鈦顆粒的平均一次粒度、粒度分布、平均顆粒內孔徑、平均顆粒間孔徑、孔徑分布和二氧化鈦顆粒的顆粒形狀。本發明還提供一種電池，所述電池包含第一電極、第二電極和位于所述第一和第二電極之間且包含電解質的分隔件，其中，所述第一和第二電極中的一者包含按照本發明制得的插入了鋰的二氧化鈦顆粒或鈦酸鋰尖晶石顆粒。

本申請是申請日為2015年3月30日、申請號為201580028526.3、發明名稱為“插有鋰的二氧化鈦、由其制得的鈦酸鋰顆粒以及相應的方法”的發明專利申請的分案申請。

發明領域

本發明涉及適用于鋰離子電池的陽極中的插有鋰的二氧化鈦顆粒和鈦酸鋰顆粒、以及形成這些顆粒的方法。

背景

鋰離子電池是依靠鋰離子在電極之間移動的可充電池。這種電池因其高能量密度、高功率密度以及快速充放電特性而常用于各種電子器件中。陽極通常由石墨組成，而陰極則通常由諸如LiCoO₂這樣的插有鋰的材料組成，電極通過諸如非水性溶劑中的LiPF₆這樣的液體電解質相連。

本領域需要改善的用于鋰離子電池的陽極材料，以替代常規的碳基材料，例如石墨，所述常規的碳基材料在一些情況下可能具有相對較短的循環壽命和相對較長的充電時間的缺陷。具有尖晶石晶體結構(即，Li₄Ti₅O₁₂或被稱為LTO)的鈦酸鋰正越來越多地被用作鋰離子電池中的陽極材料，尤其是用于電動汽車和能量儲存應用中。鈦酸鋰隨著鋰離子在充電過程中被插入而轉變為巖鹽晶體結構，并隨著鋰離子的解離而變回尖晶石晶體結構。相比于碳材料，鈦酸鋰因充/放電而經歷的晶格體積變化要小得多，且即使當與正電極短路時也產生很少的熱量，從而防止了火災事故，確保了高度的安全性。另外，使用鈦酸鋰作為陽極材料會導致更長的電池壽命(可進行更多個循環的充電)和更短的充電時間(數分鐘vs數小時)。

非常需要鈦酸鋰為晶體高度有序且相純度高的立方型尖晶石結構，以在鋰離子電池中得到高水平的性能。鈦酸鋰尖晶石，如同其它陶瓷材料，可通過常規的固態反應方法來制備；即，將氧化物組分混合在一起，加熱或燒制該混合物以促進該固態反應。由于這些固態反應物的動力學限制，難以實現具有均勻粒度和形態的高純度相。而且，鋰可能因為鋰化合物的揮發性而在加熱或燒制過程中損失。

為了克服這些限制，提出了包含一種或多種溶解或懸浮在溶劑中的鋰或鈦化合物的濕法化學技術。然而，這些方法中的許多具有某些缺點，例如缺乏反應控制、不均勻的反應、以及/或者無法充分控制顆粒形態、粒度或結晶度。本領域仍然需要一種用于鋰離子電池應用中的具有受控的粒度和形態的鈦酸鋰尖晶石顆粒的形成方法。

發明內容

本發明提供適用于鋰離子電池電極中的含鋰顆粒的形成方法。例如，本發明可提供有利地具有小粒度(例如納米尺寸范圍)、窄粒度分布和高結晶度的高品質鈦酸鋰顆粒。在某些實施方式中，使用按照本發明制得的含鋰顆粒可導致相比于碳基電極，在爆炸和火災方面提供更好的安全性、提供更長的電池壽命和更短的充電時間的電池電極。

在一個方面中，本發明提供一種適用于電池電極中的含鋰顆粒的制備方法，所述方法包括：

a)形成包含二氧化鈦前體顆粒和鋰化合物水溶液的混合物；以及

b)在密封的壓力容器中，在升高了的溫度下加熱所述混合物，以形成插入了鋰的二氧化鈦顆粒，其中，選自以下的至少一種粒度特征基本上未被所述加熱步驟改變：二氧化鈦顆粒的平均一次粒度、粒度分布、平均顆粒內孔徑、平均顆粒間孔徑、孔徑分布和二氧化鈦顆粒的顆粒形狀。