掺钽钛酸锂负极材料的制备方法及掺钽钛酸锂负极材料和锂离子电池技术

本发明专利技术提供了一种掺钽钛酸锂负极材料的制备方法及掺钽钛酸锂负极材料和锂离子电池，涉及锂离子电池技术领域。该制备方法首先将钛源、锂源和钽源通过混合研磨的方法形成掺钽钛酸锂前驱体，然后将掺钽钛酸锂前驱体与碳源混合掺杂后，再烧结，得到掺钽钛酸锂负极材料；向钛酸锂中掺钽，基本不会改变钛酸锂的循环性，同时还可提高钛酸锂负极材料的克容量，提高钛酸锂的能量密度；另外，将掺钽钛酸锂前驱体与碳源混合，利用碳源在烧结过程中全部转化为二氧化碳挥发的特性，可使烧结得到的掺钽钛酸锂负极材料的颗粒较为均匀，无需破碎工序即可得到微纳米级别的掺钽钛酸锂负极材料。本发明专利技术还提供了掺钽钛酸锂负极材料和锂离子电池。

【技术实现步骤摘要】
掺钽钛酸锂负极材料的制备方法及掺钽钛酸锂负极材料和锂离子电池
本专利技术涉及锂离子电池材料
，具体而言，涉及掺钽钛酸锂负极材料的制备方法及掺钽钛酸锂负极材料和锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池主要包含正极、负极、可以传导锂离子的电解液以及将正负极隔开的隔膜。其中，锂离子负极材料是锂离子电池中极为重要的组成部分。目前，锂离子电池负极材料有很多，比如碳素材料、合金类材料、钛酸锂等。其中，钛酸锂(Li4Ti5O12)是一种由金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，最大的特点就是其“零应变性”。所谓“零应变性”是指其晶体在嵌入或脱出锂离子时晶格常数和体积变化都很小，小于1％。在充放电循环中，这种“零应变性”能够避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构的破坏，从而提高电极的循环性能和使用寿命，减少循环带来的比容量衰减，具有非常好的耐过充、过放特征。钛酸锂凭借其长寿命、高安全性、可快速充电，循环性能好等优点，已成为锂离子电池负极材料领域研究的热点。但同时，钛酸锂负极材料存在电子导电率较低，产气导致电池膨胀，成本高等缺点，且传统烧结过程得到的钛酸锂材料容易团聚板结、需要后续破碎等一系列工序。因此必须尝试新的制备方法对其进行改性以弥补其能量密度低，导电率差，烧结后的钛酸锂材料容易团聚板结等缺陷。有鉴于此，特提出本专利技术以解决上述技术问题。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提供一种掺钽钛酸锂负极材料的制备方法，通过将钛源、锂源和钽源混合研磨的方式向钛酸锂中掺杂钽源制备掺钽钛酸锂前驱体，可提高钛酸锂负极材料的克容量，提高钛酸锂的能量密度，同时这一过程工艺简单，成本低；经过烧结得到的掺钽钛酸锂负极材料的颗粒较为均匀，无需破碎工序即可得到微纳米级别的掺钽钛酸锂负极材料。本专利技术的第二个目的在于提供一种掺钽钛酸锂负极材料，采用上述掺钽钛酸锂负极材料的制备方法得到。本专利技术的第三个目的在于提供一种锂离子电池，包括上述掺钽钛酸锂负极材料。本专利技术的第四个目的在于提供一种包含上述锂离子电池的电子装置、电动工具、电动车辆或电力存储系统。为了实现本专利技术的上述目的，特采用以下技术方案：本专利技术提供了一种掺钽钛酸锂负极材料的制备方法，包括以下步骤：(a)将钛源、锂源和钽源混合，研磨，得到掺钽钛酸锂前驱体；(b)将掺钽钛酸锂前驱体与碳源混合后，烧结，得到掺钽钛酸锂负极材料；其中，烧结温度为800-900℃，烧结时间为1-6h；掺钽钛酸锂负极材料的化学式为Li4Ti5-xTaxO12，0.01≤x≤0.1。进一步的，步骤(a)中，所述研磨为湿法研磨，优选为湿法球磨；优选地，步骤(a)中，所述湿法研磨之后进行干燥，得到掺钽钛酸锂前驱体，所述干燥优选为真空干燥。进一步的，步骤(b)中，所述掺钽钛酸锂前驱体与碳源的质量比为(40-60):1，优选为(42-58):1，进一步优选为(45-55):1。进一步的，步骤(b)中，所述烧结温度为810-880℃，优选为820-850℃，进一步优选为830-840℃；和/或，所述烧结时间为1.5-5h，优选为2-4h，进一步优选为2-3h；和/或，所述烧结气氛为空气或氧气。进一步的，所述掺钽钛酸锂负极材料的化学式为Li4Ti5-xTaxO12，其中，0.05≤x≤0.1。进一步的，所述锂源选自碳酸锂、碳酸氢锂、氢氧化锂、硝酸锂或醋酸锂中的一种或至少两种的组合；优选地，所述钛源选自二氧化钛和/或偏钛酸；优选地，所述钽源选自五氧化二钽、三氧化二钽或氢氧化钽中的一种或至少两种的组合；优选地，所述碳源选自葡萄糖、麦芽糖、白砂糖或蔗糖中的一种或至少两种的组合。进一步的，所述掺钽钛酸锂负极材料的制备方法，包括如下步骤：(a)将二氧化钛、氢氧化锂和五氧化二钽混合，湿法研磨，干燥，得到掺钽钛酸锂前驱体；(b)将掺钽钛酸锂前驱体与碳源混合并干法研磨后，于830-840℃烧结2-3h，得到掺钽钛酸锂负极材料；其中，掺钽钛酸锂前驱体与碳源的质量比为(40-60):1；掺钽钛酸锂负极材料的化学式为Li4Ti5-xTaxO12，0.01≤x≤0.1。本专利技术还提供了一种掺钽钛酸锂负极材料，采用上述的掺钽钛酸锂负极材料的制备方法制备得到。本专利技术还提供了一种锂离子电池，包括上述掺钽钛酸锂负极材料。本专利技术还提供了一种包含上述锂离子电池的电子装置、电动工具、电动车辆或电力存储系统。与现有技术相比，本专利技术提供的掺钽钛酸锂负极材料的制备方法、掺钽钛酸锂负极材料、锂离子电池及电动车辆具有以下优势：(1)本专利技术提供了一种掺钽钛酸锂负极材料的制备方法，首先将钛源、锂源和钽源通过混合研磨的方法形成掺钽钛酸锂前驱体，然后将掺钽钛酸锂前驱体与碳源混合掺杂后，再进行烧结，得到掺钽钛酸锂负极材料；向钛酸锂中掺钽，基本不会改变钛酸锂材料的循环性能，同时还可提高钛酸锂负极材料的克容量，提高钛酸锂的能量密度，改善了钛酸锂材料克容量较低，限制钛酸锂电池能量密度的技术问题；同时，采用研磨的方法制备掺钽钛酸锂前驱体，工艺简单，成本低廉；另外，将掺钽钛酸锂前驱体与碳源混合，利用碳源在烧结过程中全部转化为二氧化碳挥发的特性，可使得烧结得到的掺钽钛酸锂负极材料的颗粒较为均匀，无需破碎工序即可得到微纳米级别的掺钽钛酸锂负极材料，改善了采用传统烧结过程得到的钛酸锂材料容易团聚板结、需要破碎的技术问题。(2)本专利技术提供了一种掺钽钛酸锂负极材料的制备方法，过程简单，易于操作，生产成本低，适合于工业化生产。(3)本专利技术提供了一种掺钽钛酸锂负极材料，通过上述制备方法制备得到。该掺钽钛酸锂负极材料导电率高，具有优异的电化学性能；经试验检测，该掺钽钛酸锂负极材料制备的半电池1C克容量高达180mAh/g，1000次循环后容量保持率为98.0％左右；2C克容量高达174mAh/g，1000次循环后容量保持率为89.0％左右。(4)本专利技术提供了一种锂离子电池，包括上述掺钽钛酸锂负极材料。鉴于上述掺钽钛酸锂负极材料所具有的优势，使得采用其作为负极材料的锂离子电池具有良好的电化学性能。(5)本专利技术提供了包含上述锂离子电池的电子装置、电动工具、电动车辆或电力存储系统。鉴于上述锂离子电池所具有的优势，在使用本专利技术实施方式的锂离子电池的电子装置、电动工具、电动车辆以及电力储存系统中也可以获得相同的效果。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1掺钽钛酸锂负极材料和钛酸锂负极材料的X射线衍射图谱(XRD图)，其中，a-实施例1制备的掺钽钛酸锂负极材料(LTO/Ta)，b-钛酸锂负极材料(LTO)；图2为本专利技术实施例1制备的掺钽钛酸锂负极材料的扫描电镜(SEM)图；图3为图2扫描电镜(SEM)局部(划线区域)放大图。具体实施方式下面将结合实施例对本专利技术的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本专利技术，而不应视为限制本专利技术的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺钽钛酸锂负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)将钛源、锂源和钽源混合，研磨，得到掺钽钛酸锂前驱体；(b)将掺钽钛酸锂前驱体与碳源混合后，烧结，得到掺钽钛酸锂负极材料；其中，烧结温度为800‑900℃，烧结时间为1‑6h；掺钽钛酸锂负极材料的化学式为Li4Ti5‑xTaxO12，0.01≤x≤0.1。

【技术特征摘要】
1.一种掺钽钛酸锂负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)将钛源、锂源和钽源混合，研磨，得到掺钽钛酸锂前驱体；(b)将掺钽钛酸锂前驱体与碳源混合后，烧结，得到掺钽钛酸锂负极材料；其中，烧结温度为800-900℃，烧结时间为1-6h；掺钽钛酸锂负极材料的化学式为Li4Ti5-xTaxO12，0.01≤x≤0.1。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，所述研磨为湿法研磨，优选为湿法球磨；优选地，步骤(a)中所述湿法研磨之后还进行干燥，得到掺钽钛酸锂前驱体，所述干燥优选为真空干燥。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，所述掺钽钛酸锂前驱体与碳源的质量比为(40-60):1，优选为(42-58):1，进一步优选为(45-55):1。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(b)中，所述烧结温度为810-880℃，优选为820-850℃，进一步优选为830-840℃；和/或，所述烧结时间为1.5-5h，优选为2-4h，进一步优选为2-3h；和/或，所述烧结气氛为空气或氧气。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述掺钽钛酸锂负极材料的化学式为Li4Ti5-...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敏，白岩，成信刚，马书良，
申请(专利权)人：北方奥钛纳米技术有限公司，银隆新能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13