一种锂离子电池负极材料、非水电解质锂离子电池及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种锂离子电池负极材料，锂离子电池负极材料的化合物通式为MxTi2+xy‑5xNb10+x(4‑y)O29；其中，M表示金属离子，x表示该化合物中M的原子量，y表示金属离子的价态，且0

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池负极材料、非水电解质锂离子电池及其制备方法
本专利技术涉及锂离子电池
，特别涉及一种锂离子电池负极材料、非水电解质锂离子电池及其制备方法。
技术介绍
由于具有高功率密度、高能量密度等优点，锂离子电池被公认为可以用作电动汽车的非常有前途的能源。尤其随着新能源汽车的普及，动力电池的研发成为新能源快速发展的关键。然而市场上还缺乏性能十分优异的动力电池，而电极材料是影响动力电池的关键因素。目前商业化的锂离子电池多使用石墨作为负极材料，液态有机溶液作为电解液，石墨具有高的理论容量(372mAhg-1)，长的循环寿命，低的成本等优点，然而，它的工作电位很低，在大倍率充放电时存在电池短路的危险，存在使电池燃烧的安全隐患。此外石墨自身低的锂离子扩散系数会导致差的倍率性能，阻碍了石墨在高性能锂离子电池中的应用，例如锂离子在石墨中的迁移速率低，扩散系数小，快充大电流带来的高过电位会导致石墨负极电位更负，石墨负极迅速接纳锂的压力会变大，生成锂枝晶的倾向会变大，增大了电池的安全隐患，同时在大电流充电的条件下，体系产生的热量加剧，液态有机电解液不稳定性增加，更易分解，使锂离子电池的循环稳定性变差。因此，开发出具有优异的电化学性能和高的安全性能的负极材料是目前十分迫切的需求。在众多有希望代替石墨的负极材料中，技术人员对“零应变”Li4Ti5O12材料进行了广泛的研究，该材料具有安全的工作电位、良好的循环性能，经过改性后满足安全、稳定、快速充放电的需求，但是其固有的低理论容量(只有175mAhg-1)限制了它在高性能锂离子电池中的应用。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种锂离子电池负极材料，该锂离子电池负极材料理论比容量高，安全性能高，具有可逆比容量高、库仑效率高和循环性能优异等优点。本专利技术的目的之二在于提供一种非水电解质锂离子电池，该锂离子电池能解决液态电解液不稳定、锂枝晶问题严重等锂离子电池充电过程中使用传统的液态电解液和石墨负极材料所面临的诸多问题。本专利技术的目的之三在于提供一种非水电解质锂离子电池的制备方法，该制备方法工艺简单、操作方便、生产成本低，易于大规模工业化生产。本专利技术的目的之一采用如下技术方案实现：一种锂离子电池负极材料，锂离子电池负极材料的化合物通式为MxTi2+xy-5xNb10+x(4-y)O29；其中，M表示金属离子，x表示该化合物中M的原子量，y表示金属离子的价态，且0<x≤10，0<y≤5，2+xy-5x≥0，10+x(4-y)≥0。进一步地，M为Mg、Zn、Cu、Fe、Ga、Al、Ni、Mn、Co、Cr、Ca、Ge、Zr、Ti、Sr、Sn、Pb、V、Ta、Bi、Ba、Ni、Nb、Hg、Mo和W中的一种或任意组合；且当M为Fe、Nb、Mg或Ga时，2+xy-5x≠0。进一步地，所述锂离子电池负极材料为单一纯相结构，其晶体结构为剪切ReO3结构。本专利技术的目的之二采用如下技术方案实现：一种非水电解质锂离子电池，包括正极材料，非水电解质，以及上述的锂离子电池负极材料。进一步地，非水电解质锂离子电池为液态非水电解质电池、凝胶态非水电解质电池和固态非水电解质电池中的一种或任意组合。进一步地，所述固态非水电解质为硫化物基固态电解质和/或氧化物基固态电解质；所述硫化物基固态电解质为Li2S-A、卤素掺杂的Li2S-A、Li2S-MeS2-P2S5或卤素掺杂的Li2S-MeS2-P2S5，其中，A表示P2S5、SiS2、GeS2、B2S3和Al2S4中的一种或任意组合，Me表示Si、Ge、Sn和Al中的一种或任意组合，卤素为Cl、Br和I中的一种或任意组合。本专利技术的目的之三采用如下技术方案实现：一种非水电解质锂离子电池的制备方法，包括以下步骤；胶液配制步骤：将固态非水电解质溶于有机溶剂中，溶解后得到胶液；正极片制备步骤：将正极材料、导电剂与胶液混合均匀后涂覆在正极集流体上，固化后得到正极片；负极片制备步骤：将负极材料、导电剂与胶液混合均匀后涂覆在负极集流体上，固化后得到负极片；浆料配制步骤：将固态非水电解质球磨后溶于有机溶剂中，溶解后得到浆料；电池制备步骤：采用叠片工艺组装正极片和负极片，将浆料涂覆在负极片或负极片表面形成隔膜层，固化后，得到非水电解质锂离子电池。进一步地，正极片制备步骤中，以正极片的总质量百分含量为100％计，正极材料的含量为65％～85％，导电剂的含量为2％～5％，固态非水电解质的含量为10％～33％；正极片的固化温度为60～150℃，固化时间为2～11h。进一步地，负极片制备步骤中，以负极片的总质量百分含量为100％计，负极材料的含量为65％～85％，导电剂的含量为2％～5％，固态非水电解质的含量为10％～33％；负极片的固化温度为70～160℃，固化时间为2～14h。进一步地，电池制备步骤中，叠片工艺在室温下进行，叠片施加压力为300～600MPa。相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术的锂离子电池负极材料，其化学通式为MxTi2+xy-5xNb10+x(4-y)O29，相比于Li4Ti5O12，该材料同样具有安全的工作电位(Nb3+/Nb4+和Nb4+/Nb5+)，但由于Nb3+和Nb5+之间有两个电子的转移，Ti3+和Ti4+之间有一个电子的转移，因此MxTi2+xy-5xNb10+x(4-y)O29材料具有较高的理论容量，此外，MxTi2+xy-5xNb10+x(4-y)O29材料相比于Li4Ti5O12具有更开放的空间结构，更有利于离子和电子的传导，具有锂离子电池负极材料理论比容量高，安全性能高，具有可逆比容量高、库仑效率高和循环性能优异等优点，因此MxTi2+xy-5xNb10+x(4-y)O29材料的电化学性能更好，能够避免锂枝晶问题；(2)本专利技术的锂离子电池负极材料MxTi2+xy-5xNb10+x(4-y)O29可作为新的非水电解质电池的电极材料，在全固态锂离子电池的应用中，由于MxTi2+xy-5xNb10+x(4-y)O29材料充放电膨胀率低，减小界面阻抗，因而有利于提高其在锂离子电池中的电化学性能；(3)本专利技术将MxTi2+xy-5xNb10+x(4-y)O29材料作为负极材料应用在非水电解质锂离子电池中，尤其是全固态锂离子电池，其利用固态电解质稳定不易分解等特点，在大电流充电的条件下，电池的循环稳定性明显提高，且耐高压，能解决液态电解液不稳定、锂枝晶问题严重等锂离子电池充电过程中使用传统的液态电解液和石墨负极材料所面临的诸多问题；(4)本专利技术提供的非水电解质锂离子电池的制备方法工艺简单、操作方便、生产成本低，易于大规模工业化生产。【附图说明】图1为实施例1所得到Cu0.3Ti1.1Nb10.6O29的XRD图；图2为实施例2所得到Mg0.3Ti1.1Nb10.6O29的XRD图；图3为实施例3所得到Al0.5TiNb10.5O29的XRD图；图4为实施例4所得到Cr0.5TiNb10.5O29的XRD图；图5为实施例5所得到Ge0.3Ti1.7Nb10O29的XRD图；图6为实施例6所得到Zr0.3Ti1.7Nb10O29的XRD图；图7为实施例86所得到Cu0.3Ti1.1Nb1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于，锂离子电池负极材料的化合物通式为MxTi2+xy‑5xNb10+x(4‑y)O29；其中，M表示金属离子，x表示该化合物中M的原子量，y表示金属离子的价态，且0<x≤10，0<y≤5，2+xy‑5x≥0，10+x(4‑y)≥0。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于，锂离子电池负极材料的化合物通式为MxTi2+xy-5xNb10+x(4-y)O29；其中，M表示金属离子，x表示该化合物中M的原子量，y表示金属离子的价态，且0<x≤10，0<y≤5，2+xy-5x≥0，10+x(4-y)≥0。2.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于：M为Mg、Zn、Cu、Fe、Ga、Al、Ni、Mn、Co、Cr、Ca、Ge、Zr、Ti、Sr、Sn、Pb、V、Ta、Bi、Ba、Ni、Nb、Hg、Mo和W中的一种或任意组合；且当M为Fe、Nb、Mg或Ga时，2+xy-5x≠0。3.根据权利要求1所述的锂离子电池负极材料，其特征在于：所述锂离子电池负极材料为单一纯相结构，其晶体结构为剪切ReO3结构。4.一种非水电解质锂离子电池，其特征在于：包括正极材料，非水电解质，以及如权利要求1-3任一项所述的锂离子电池负极材料。5.根据权利要求4所述的非水电解质锂离子电池，其特征在于：非水电解质锂离子电池为液态非水电解质电池、凝胶态非水电解质电池和固态非水电解质电池中的一种或任意组合。6.根据权利要求5所述的非水电解质锂离子电池，其特征在于：所述固态非水电解质为硫化物基固态电解质和/或氧化物基固态电解质；所述硫化物基固态电解质为Li2S-A、卤素掺杂的Li2S-A、Li2S-MeS2-P2S5或卤素掺杂的Li2S-MeS2-P2S5，其中，A表示P2S5、SiS2、GeS2、B2S3和Al2S4中的一种或任意组合，Me...

【专利技术属性】
技术研发人员：张健，赵前进，陈少海，
申请(专利权)人：瑞声科技新加坡有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG