一种宽电位窗口负极材料、及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种宽电位窗口负极材料、及其制备方法和应用，该材料的化学式为：aLi4Ti5O12-bLi3xLa(2/3)-xTiO3，其中3％≤b:a≤15％，0.05≤x≤0.15。该负极材料颗粒均匀一致、分散性好、结晶度高，并且通过调节有机溶剂的种类、反应温度和时间，可以得到不同形貌、不同粒径的材料。

【技术实现步骤摘要】
一种宽电位窗口负极材料、及其制备方法和应用
本专利技术属于锂离子电池
，尤其涉及一种宽电位窗口负极材料、及其制备方法和应用。
技术介绍
随着各种电子设备以及电动汽车、混合动力汽车的发展，对为其提供能量的锂离子电池提出了更高的要求。锂离子电池的容量密度和能量密度较高，被公认为最有希望的动力电池。目前商用锂离子电池负极材料大多采用各种嵌锂碳/石墨材料，但是，碳材料的嵌锂电位(0-0.26V)与金属锂的沉积电位很接近，当电池过充时，金属锂可能会在碳电极表面析出而形成锂枝晶，枝晶进一步生长，则可能刺穿隔膜，造成正负极相接，从而引起短路；此外，碳材料还存在首次充放电效率低、与电解液发生作用、存在明显的电压滞后现象、制备方法比较复杂等缺点。与碳负极相比，虽然合金类负极材料一般具有较高的比容量，但锂离子的反复嵌脱导致合金类电极在充放电过程中体积变化较大，逐渐粉化失效，因而循环性能较差。因此，寻找能够代替碳材料并且电位比碳电极稍正、廉价易得、安全可靠的新型负极材料是目前锂离子电池负极研究的重点。尖晶石型钛酸锂Li4Ti5O12是一种“零应变”材料，在锂离子嵌入脱出的过程中晶体结构能够保持高度的稳定性，而使其具有优良的循环性能和平稳的放电电压。且具有相对较高的电极电压(1.55V)，在整个放电过程中不会出现金属锂的析出，大大提高了电极材料使用的安全性。但是Li4Ti5O12最大的不足是其电子电导和离子电导较低，从而在大电流充放电时容量衰减快、倍率性能较差，可逆容量远不能达到所需的目标要求。因此，如何改善倍率性能成为Li4Ti5O12实用化进程的关键。目前，提高Li4Ti5O12性能的途径主要有三个方面：制备纳米粒径材料、制备多孔结构材料及提高其电子电导率。前两种方法具有过程复杂多变、能耗过大、成本较高等缺点，不利于实现大规模工业化生产。因此，通过制备一种Li4Ti5O12的复合物来提高Li4Ti5O12的电子电导率，进而提高其电化学性能具有非常广泛的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种一种宽电位窗口负极材料、及其制备方法和应用。一种宽电位窗口负极材料，该材料的化学式为：aLi4Ti5O12-bLi3xLa(2/3)-xTiO3，其中3％≤b:a≤15％，0.05≤x≤0.15。一种所述宽电位窗口负极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将摩尔比为4.5:5的氢氧化锂和钛酸四丁酯置于盛有一定量的有机溶剂的烧杯中，密封条件下搅拌10-16h，其中钛酸四丁酯的物质的量为a摩尔，钛酸四丁酯与有机溶剂的体积比为1:14-1:16；(2)将镧源、钛酸四丁酯和锂源在烧杯中混合，密封条件下搅拌12h，其中钛酸四丁酯的物质的量为b摩尔，所述锂源、钛酸四丁酯和镧源的金属原子摩尔比为3x:(2/3-x):1，其中0.05<x<0.15，3％≤b:a≤15％；(3)搅拌完后，将上述(1)、(2)两溶液混合，加入一定量的去离子水，强力搅拌1min，转移至密闭反应釜中在180-200℃保温24-42h；冷却后抽滤，在80-120℃干燥12-24h；其中钛酸四丁酯与去离子水的体积比为1:14-1:16；(4)将步骤(3)所得混合物放入马弗炉中，400-800℃焙烧4-12h，冷却至室温后即得到Li4Ti5O12-Li3xLa(2/3)-xTiO3复合材料。进一步得，如上所述宽电位窗口负极材料的制备方法，所述的镧源为硝酸镧、醋酸镧中的一种。进一步得，如上所述宽电位窗口负极材料的制备方法，所述锂源为醋酸锂、硝酸锂、氢氧化锂中的一种。进一步得，如上所述宽电位窗口负极材料的制备方法，所述有机溶剂为乙醇、乙二醇、苯甲醇、丙酮、丙醇、异丙醇、抗坏血酸中的一种。进一步得，如上所述宽电位窗口负极材料的制备方法，所述强力搅拌的转速为2500-3500r/min。一种所述宽电位窗口负极材料作为高性能锂离子电池负极材料的应用。本专利技术有益效果：(1)利用该方法合成的材料颗粒均匀一致、分散性好、结晶度高，并且通过调节有机溶剂的种类、反应温度和时间，可以得到不同形貌、不同粒径的材料。(2)本专利技术中所得到的材料具有可观的可逆容量、优异的倍率性能和稳定的循环寿命，使得该材料具有很高的实际使用价值，可以有效的满足锂离子电池各种应用的实际要求。(3)本专利技术充分利用了我国丰富的稀土资源(储量居世界第一)来开发锂离子电池，从制造材料的源头上降低了高性能锂离子电池的实际成本。附图说明图1为本专利技术实施例1中所得Li4Ti5O12和Li4Ti5O12-0.1Li0.3La0.567TiO3的XRD图。图2为本专利技术实施例1中所得Li4Ti5O12的SEM图。图3为本专利技术实施例1中所得Li4Ti5O12-0.1Li0.3La0.567TiO3的SEM图。图4为本专利技术实施例1中所得Li4Ti5O12和Li4Ti5O12-0.1Li0.3La0.567TiO3的循环性能曲线。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1：将0.009mol氢氧化锂、0.01mol钛酸四丁酯置于盛有50mL乙二醇的烧杯中，密封条件下搅拌12h。将5.67×10-4mol醋酸镧、0.001mol钛酸四丁酯和3×10-4mol醋酸锂在烧杯中混合，密封条件下搅拌12h。搅拌完后，将上述两溶液混合，加入50mL的去离子水，强力搅拌1min，转移至200mL的密闭反应釜中在180℃保温36h。冷却后抽滤，在80℃干燥12h。将所得混合物放入马弗炉中，600℃焙烧6h，冷却至室温后即得到Li4Ti5O12-0.1Li0.3La0.567TiO3复合材料。X射线粉末衍射分析表明所得的复合材料具有Li4Ti5O12的结构，有少量杂质峰，结晶度高。从扫描电子显微镜分析得知所得产物的颗粒大小均匀一致，呈纳米棒状。将所得的产物作为电极材料，在充满氩气的手套箱中组装成实验扣式锂离子电池，以10C的倍率在1-2.5V间进行充放电循环，首次放电容量为78mAh·g-1，循环200周后的可逆容量仍达到74.5mAh·g-1,显示了优异的快速充放电性能。实施例2：将0.009mol氢氧化锂、0.01mol钛酸四丁酯置于盛有50mL乙二醇的烧杯中，密封条件下搅拌14h。将2.835×10-4mol硝酸镧、5×10-4mol钛酸四丁酯和1.5×10-4mol氢氧化锂在烧杯中混合，密封条件下搅拌12h。搅拌完后，将上述两溶液混合，加入50mL的去离子水，强力搅拌1min，转移至200mL的密闭反应釜中在180℃保温30h。冷却后抽滤，在100℃干燥16h。将所得混合物放入马弗炉中，500℃焙烧8h，冷却至室温后即得到Li4Ti5O12-0.05Li0.3La0.567TiO3复合材料。X射线粉末衍射分析表明所得的复合材料具有Li4Ti5O12的结构，结晶度高。从扫描电子显微镜分析得知所得产物的颗粒大小均匀一致，基本呈纳米棒状。将所得的产物作为电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种宽电位窗口负极材料，其特征在于，该材料的化学式为：aLi4Ti5O12‑bLi3xLa(2/3)‑xTiO3，其中3％≤b:a≤15％，0.05≤x≤0.15。

【技术特征摘要】
1.一种宽电位窗口负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将摩尔比为4.5:5的氢氧化锂和钛酸四丁酯置于盛有一定量的有机溶剂的烧杯中，密封条件下搅拌10-16h，其中钛酸四丁酯的物质的量为a摩尔，钛酸四丁酯与有机溶剂的体积比为1:14-1:16；(2)将镧源、钛酸四丁酯和锂源在烧杯中混合，密封条件下搅拌12h，其中钛酸四丁酯的物质的量为b摩尔，所述锂源、钛酸四丁酯和镧源的金属原子摩尔比为3x:(2/3-x):1，其中0.05<x<0.15，3％≤b:a≤15％；(3)搅拌完后，将上述(1)、(2)两溶液混合，加入一定量的去离子水，强力搅拌1min，转移至密闭反应釜中在180-200℃保温24-42h；冷却后抽滤，在80-120℃干燥12-24h...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢颖，伊廷锋，付宏刚，于海涛，王琦，宋清山，
申请(专利权)人：黑龙江大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23