改性钛酸锂负极材料、制备方法及钛酸锂电池技术

一种改性钛酸锂负极材料、制备方法及钛酸锂电池，所述改性钛酸锂负极材料为颗粒体结构，该颗粒体的外层为石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层，石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层包覆二次钛酸锂颗粒，二次钛酸锂颗粒由多个一次钛酸锂颗粒团聚而成，各一次钛酸锂颗粒的外层为石墨烯一次包覆层，石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层中的Al(OH)3颗粒呈孤岛状分布。所述改性钛酸锂负极材料可以改善二次颗粒表面的导电性，明显改善电池高温性能，同时改善了纳米颗粒加工性能差的特点。以改性钛酸锂负极材料制备的钛酸锂电池可以实现40C以上倍率持续充电，50C以上优秀的持续倍率放电，满足在混合动力车上的应用要求。

【技术实现步骤摘要】
改性钛酸锂负极材料、制备方法及钛酸锂电池
本专利技术涉及一种锂离子电池技术，特别是由石墨烯二次包覆的改性钛酸锂负极材料、该负极材料的制备方法及采用该负极材料的钛酸锂电池，属电池

技术介绍
目前，全球汽车工业正面临着能源环境问题的巨大挑战。发展新能源汽车，实现汽车动力系统新能源化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成广泛共识。新能源汽车包括混合动力车HEV(48V系统)、插电式混合动力车PHEV和纯电动EV汽车。相比之下混合动力汽车作为一种更经济、可行的减排方案，正在加快推广的步伐。混动车型能够减少二氧化碳排放70％-80％，节油率达到25％-55％。作为最具产业化条件的节能新能源汽车，混合动力车是降低PM2.5最现实的途径之一。因此48V轻混系统就成为众多企业目前最现实的选择。锂离子电池是20世纪90年代初出现的新型绿色高能可充电电池，具有良好的电压平台，优秀的循环稳定性和热稳定性，价格低廉等优点，广泛应用于移动电话、笔记本电脑、便携式电动工具、电子仪表和电动汽车等方面。混合动力汽车因涉及在使用过程中电池需要大功率充放电，常规的锂离子电池在大功率充电，尤其是低温下大倍率充电方面很难达到要求。因此以钛酸锂为负极的新型锂离子电池成为较为理想的选择。钛酸锂材料相较于石墨负极具有高离子扩散系数，25℃时锂离子在钛酸锂中的扩散系数为2*10-8cm/s，比石墨高出一个等级，因此锂离子在钛酸锂材料较易嵌入和脱嵌。但是钛酸锂材料的电子电导率很低，严重影响了钛酸锂材料的大电流充放电。目前市面上的钛酸锂材料普遍采用包覆和离子掺杂等方法改善电子导电率，这种常规钛酸锂材料在常规倍率电流充放电使用时能够满足要求。但是在超高倍率电流下(50C电流以上)，电池需要采用更高性能的正负极材料。石墨烯作为最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料在材料复合改性中得到了广泛的研究。公开号为CN103151505A的专利通过石墨烯/碳纳米管复合材料有效改善了钛酸锂负极材料电子导电性和倍率性能，掺杂元素的引入有效提高了钛酸锂负极材料的电化学性能和循环稳定性。公开号为CN104852033B的专利采用钛酸四丁酯、氢氧化锂、糖、离子液体为原料，通过一步水热合成构筑了钛酸锂与点、面碳材料的三维复合，有效改善了钛酸锂负极材料的倍率性能。以上方法都是在钛酸锂前驱体中加入石墨烯材料，并通过煅烧制得石墨烯复合的钛酸锂材料。但此方法存在制备方法工艺较为复杂，成本较高，且难以产业化的缺点。另外为了改善钛酸锂材料的导电性能，也有在电池合浆过程中与钛酸锂材料同时加入石墨烯的方法，此类方法石墨烯只能包覆在钛酸锂颗粒最外层表面，且钛酸锂材料和石墨烯颗粒的大小会影响最终的性能。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术的缺陷，提供一种改性钛酸锂负极材料、制备方法及钛酸锂电池。采用所述改性钛酸锂负极材料制备的钛酸锂电池具有高倍率充放电、高安全、长寿命的特性。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种改性钛酸锂负极材料，为颗粒体结构，所述颗粒体的外层为石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层，石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层包覆二次钛酸锂颗粒，二次钛酸锂颗粒由多个一次钛酸锂颗粒团聚而成，各一次钛酸锂颗粒的外层为石墨烯一次包覆层，石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层中的Al(OH)3颗粒呈孤岛状分布。上述改性钛酸锂负极材料，所述二次钛酸锂颗粒的粒径为5～15微米，二次包覆层的厚度为1-100nm，一次钛酸锂颗粒的粒径为20～500nm，一次包覆层的厚度为1-50nm。所述改性钛酸锂负极材料的制备方法，按照下述步骤进行：a、按照重量百分比取97.0-99.8％粒径20-500纳米的钛酸锂材料、0.1-2％(按石墨烯干粉量)的石墨烯分散液、0.1-1％的PEG和溶剂NMP加入砂磨混料机中，进行球磨混合2-5h，得到分散良好的纳米钛酸锂颗粒和石墨烯的混合浆料；b、混合浆料经喷雾干燥机进行喷雾造粒，得到由一次钛酸锂颗粒团聚成球形的二次钛酸锂颗粒前驱体；c、将二次钛酸锂颗粒前驱体在惰性气体N2的烧结炉中，300-500℃低温下煅烧1-5小时，防止二次钛酸锂颗粒前驱体破裂；d、按照重量百分比取烧结后的二次颗粒钛酸锂前驱体97.5-99.9％、石墨烯粉0.05-2％、Al(OH)3粉0.05-0.5％，用融合机进行融合0.5-2h，使石墨烯复合Al(OH)3均匀覆盖在二次钛酸锂颗粒表面，所述Al(OH)3粉的粒径为20-200nm；e、将融合处理后的颗粒材料在烘箱内进行低温100℃、时间2h以上干燥处理后真空包装得到石墨烯Al(OH)3二次包覆的改性钛酸锂负极材料。以上述改性钛酸锂负极材料制备的钛酸锂电池，由正极极片、负极极片经辊压、分条、裁切后与隔离膜进行叠片制成电芯，所述负极极片按照下述方法制备：按照质量百分比称取85～95％的石墨烯二次包覆钛酸锂负极材料、2～10％的导电剂和2～10％的粘结剂，将上述材料投入高速搅拌分散机均匀分散在N-甲基吡咯烷酮溶剂中，高速搅拌分散2～20小时后，抽真空，过筛得到正极浆料；将正极浆料经锂离子电池用涂布机涂覆在厚度为10～20μm的铝集流体上，烘烤后得到负极极片。所述正极极片按照下述方法制备：按照质量百分比称取85～95％的正极活性物质、1～8％的导电剂和1～5％的粘结剂，将上述材料投入高速搅拌分散机均匀分散在N-甲基吡咯烷酮溶剂中，高速搅拌分散2～10小时后，抽真空，过筛得到正极浆料；将正极浆料用涂布机涂覆在厚度为12～20μm的铝集流体上，烘烤后得到正极极片。上述钛酸锂电池，正极活性物质为钴酸锂、NCM三元材料、锰酸锂中的任何一种或几种；导电剂为导电炭黑、导电石墨、碳纳米管和石墨烯中的一种或组合；粘结剂为聚偏四氟乙烯。上述钛酸锂电池，所述铝集流体为厚度10～20μm的铝箔或涂炭铝箔中的一种。上述钛酸锂电池，所述隔离膜为孔隙率40％以上、Gurley值为200s/100ml以下的隔离膜本专利技术的有益效果如下：1、改性钛酸锂负极材料是以石墨烯均匀的包覆在一次钛酸锂颗粒表面，然后团聚成二次锂颗粒，并且在二次锂颗粒颗粒表面又进行了石墨烯和Al(OH)3包覆。这种结构既可以改善每个一次颗粒的导电性，也可以改善二次颗粒表面的导电性，更好的改进钛酸锂材料的电子导电率。2、二次钛酸锂颗粒表面包覆石墨烯复合Al(OH)3，在减少活性物质与电解液副反应的同时，可以与活性物周围的HF杂质成分反应生成AlF3，明显改善电池高温性能。3、改性钛酸锂负极材料在改善电子和离子导电性的同时改善了纳米颗粒加工性能差的特点。4、以所述改性钛酸锂负极材料制备的钛酸锂电池可以实现40C以上倍率持续充电，50C以上优秀的持续倍率放电。其高倍率、高功率、长寿命、高安全特性可以满足在混合动力车上的应用要求。附图说明图1是本专利技术改性钛酸锂负极材料颗粒的结构示意图；图2是比较例1制备的钛酸锂电池的倍率放电曲线图；图3是比较例2制备的钛酸锂电池的倍率放电曲线图；图4是实施例4制备的钛酸锂电池的倍率充电曲线图；图5是实施例5制备的钛酸锂电池的倍率放电曲线图；图6是实施例6制备的钛酸锂电池的倍率放电曲线图；图7是实施例5制备的钛酸锂电池的45℃高温循环曲线图；图8是实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改性钛酸锂负极材料，为颗粒体结构，其特征在于：所述颗粒体的外层为石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层，石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层包覆二次钛酸锂颗粒，二次钛酸锂颗粒由多个一次钛酸锂颗粒团聚而成，各一次钛酸锂颗粒的外层为石墨烯一次包覆层，石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层中的Al(OH)3颗粒呈孤岛状分布。

【技术特征摘要】
1.一种改性钛酸锂负极材料，为颗粒体结构，其特征在于：所述颗粒体的外层为石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层，石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层包覆二次钛酸锂颗粒，二次钛酸锂颗粒由多个一次钛酸锂颗粒团聚而成，各一次钛酸锂颗粒的外层为石墨烯一次包覆层，石墨烯复合Al(OH)3二次包覆层中的Al(OH)3颗粒呈孤岛状分布。2.根据权利要求1所述的改性钛酸锂负极材料，其特征在于：所述二次钛酸锂颗粒的粒径为5～15微米，二次包覆层的厚度为1-100nm，一次钛酸锂颗粒的粒径为20～500nm，一次包覆层的厚度为1-50nm。3.根据权利要求1或2所述的改性钛酸锂负极材料的制备方法，其特征在于：按照下述步骤进行：a、按照重量百分比取97.0-99.8％粒径20-500纳米的钛酸锂材料、0.1-2％(按石墨烯干粉量)的石墨烯分散液、0.1-1％的PEG和溶剂NMP加入砂磨混料机中，进行球磨混合2-5h，得到分散良好的纳米钛酸锂颗粒和石墨烯的混合浆料；b、混合浆料经喷雾干燥机进行喷雾造粒，得到由一次钛酸锂颗粒团聚成球形的二次钛酸锂颗粒前驱体；c、将二次钛酸锂颗粒前驱体在惰性气体N2的烧结炉中，300-500℃低温下煅烧1-5小时，防止二次钛酸锂颗粒前驱体破裂；d、按照重量百分比取烧结后的二次颗粒钛酸锂前驱体97.5-99.9％、石墨烯粉0.05-2％、Al(OH)3粉0.05-0.5％，用融合机进行融合0.5-2h，使石墨烯复合Al(OH)3均匀覆盖在二次钛酸锂颗粒表面，所述Al(OH)3粉的粒径为20-200nm；e、将融合处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞晓峰，顾志华，周硕，万亚坤，杨淑娟，张改彦，赵秀云，
申请(专利权)人：风帆有限责任公司，
类型：发明
国别省市：河北,13