一种钛酸锂-碳（Li2TiO3-碳）锂离子电池负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种钛酸锂‑碳(Li2TiO3‑碳)锂离子电池负极材料及其制备方法。本发明专利技术采用分散剂使Li2TiO3和碳充分地接触制备具有高导电性、高充放电电流密度、高充放电循环稳定性、高容量和高安全性的锂电池负极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种钛酸锂-碳(Li2TiO3-碳)锂离子电池负极材料及其制备方法
本专利技术涉及具有高容量和高功率密度的锂离子电池负极材料及其制备方法；更特别地，本专利技术涉及锂离子电池Li2TiO3-碳复合负极材料及其制备方法。
技术介绍
目前由于碳材料具有较高的库仑容量(石墨理论值372mAh/g，实际值300-350mAh/g)、较低的生产成本和较长的循环寿命【Wu，Y.P.；Rahm，E.；Holze，R.CarbonAnodeMaterialsforLithiumIonBatteries.J.PowerSources2003，114，228；Marom，R.；Amalraj，S.F.；Leifer，N.；Jacob，D.；Aurbach，D.AReviewofAdvancedandPracticalLithiumBatteryMaterials.J.Mater.Chem.2011，21，9938】，锂离子电池普遍使用硬碳、软碳和石墨作负极材料。但是由于硬碳和软碳结晶度低，虽然可以快速充电，但是由于库伦容量和首次充放电库伦效率低，很难大规模使用，尤其是难于在车用动力电池中使用。石墨虽然容量高一点，但是由于锂离子在石墨层间扩散速度慢，在大电流充电时容易在石墨表面镀锂，长枝晶导致电池内部短路【Striebel，K.A.；Shim，J.；Cairns，E.J.；Kostecki，R.；Lee，Y-J.；Reimer，J.；Richardson，T.J.；Ross，P.N.；Song，X.；Zhuang，G.V.DiagnosticAnalysisofElectrodesfromHigh-PowerLithium-IonCellsCycledunderDifferentConditions.J.Electrochem.Soc.2004，151，A857-A866；Placke，T.；Siozios，V.；Schmitz，R.；Lux，S.F.；Bieker，P.；Colle，C.；Meyer，H.W.；Passerini，S.；Winter，M.InfluenceofGraphiteSurfaceModificationsontheRatioofBasalPlaneto“Non-BasalPlane”SurfaceAreaandontheAnodePerformanceinLithiumIonBatteries.J.PowerSources2012，200，83；Zhang，S.S.TheEffectoftheChargingProtocolontheCycleLifeofaLi-IonBattery.J.PowerSources2006，161，1385-1391】。商品市场上的另外一种负极材料是Li4Ti5O12，它可以在比碳材料高很多的电流密度下充电【Jansen，A.N.；Kahaian，A.J.；Kepler，K.D.；Nelson，P.A.；Amine，K.；Dees，D.W.；Vissers，D.R.；ThackerayM.M.DevelopmentofaHigh-PowerLithium-IonBattery.J.PowerSources1999，81-82，902-905；Jansen，A.N.；Kahaian，A.J.；Kepler，K.D.；Nelson，P.A.；Amine，K.；Dees，D.W.；Vissers，D.R.；ThackerayM.M.DevelopmentofaHigh-PowerLithium-IonBattery.J.PowerSources1999，81-82，902-905】，但是Li4Ti5O12的库伦容量较低(小于160mAh/g)，做成电池的电压低(2.2-2.4V)。最近几年来人们报道了钒酸锂(Li3VO4)作为锂电池的负极材料，具有Li3VO4分子式的钒酸锂，在接受3个电子和3个锂离子时，理论容量为590mAh/g，在接受4个电子和4个锂离子时，理论容量为787mAh/g；具有非常诱人的研究开发潜力。Yong-YaoXia等【S.Huetal./JournalofPowerSources303(2016)333-339】利用膨胀石墨与NH4VO3和LiOH在水中简单的混合法制备了Li3VO4/C材料，容量达到400mAh/g，具有很好的高速充电能力，但是材料稳定性较差，在200个充放电循环后从400mAh/g降低到350mAh/g；另外由于使用的是膨胀石墨，导致材料的压实密度太低，没有实用价值。ZhiyongLiang【Z.Liangetal./JournalofPowerSources274(2015)345-354】等使用蔗糖为碳源，用V2O5和Li2CO3以粉末固相反应法制备Li3VO4/C材料。材料在750度下Ar气氛下烧成，材料实际上是碳包覆的，由于碳是无定形碳，所以材料的导电性不太理想，而且稳定性差。其它含钒负极材料还有CN20130237355.8公开的碳包覆的Li3VO4材料和CN20130237355.8公开的碳包覆的Li3VO4材料，都具有非晶态碳导电性差，纳米碳包覆层在充电时由于Li3VO4材料体积膨胀导致包覆层被破坏，Li3VO4材料颗粒彼此接触，导电性变差，材料充放电容量下降。Li2MoO4和Li2WO4与Li3VO4类似，Li2MoO4(传输5个电子和5个锂离子时，容量为769mAh/g)和Li2WO4(传输5个电子和5个锂离子时，容量为510mAh/g)都是潜在的大容量负极材料，但是由于这些材料的导电性很差，不能快速充电，而且首次充放电效率低、衰减快，所以不能直接用做电极材料。YanmingZhao(ElectrochimicaActa174(2015)315-326)和(X.Liu，Y.Zhao，Y.Lyu，Z.Zhang，H.Li，Y.Hu，Z.Wang，Q.Kuang，Y.Dong，Z.Liang，Q.FanandL.Chen，Nanoscale，2014，DOI：10.1039/C4NR04226C.)等报道的Li2MoO4纳米棒和纳米管负极材料，首次充放电效率只有30％左右，稳定容量低于200mAh/g而且衰减很快，在用有机物分解产生的碳包覆后的Li2MoO4纳米棒和纳米管负极材料表现会好一些，容量达到670mAh/g，首次充放电效率达到64％左右，但是仍然衰减很快，这一方面由于有机物在低温下分解生成的碳是无定型碳，导电性和本身的首次充放电效率都较差，另外由于包覆的碳层太薄，容易在体积变化时破坏碳包覆层和破坏Li2MoO4纳米棒和纳米管，使Li2MoO4纳米棒和纳米管团聚成不导电的无机盐，失去活性。纳米材料的另外一个缺点是体积能量密度(容量)很低，虽然材料的重量容量看上去很高(670mAh/g)，但是实际上没有实用价值，因为在所有的应用中，电池的体积能量密度比重量能量密度更重要。为了开发新的，具有实用价值的锂电池负极材料，研究出了一种Li2TiO3与普通的容易得到的碳材料的复合负极材料，此材料具有高功率密度、高能量密度和良好的稳定性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种钛酸锂(Li2TiO3)与碳的复合负极材料及其制备本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池“Li2TiO3‑碳”负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将Li2TiO3、分散剂、碳材料和液体分散介质充分混合，制得浆料；(2)干燥(1)中制得的浆料，获得固体；(3)在保护气氛下焙烧(2)中得到的固体，获得“Li2TiO3‑碳”负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池“Li2TiO3-碳”负极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)将Li2TiO3、分散剂、碳材料和液体分散介质充分混合，制得浆料；(2)干燥(1)中制得的浆料，获得固体；(3)在保护气氛下焙烧(2)中得到的固体，获得“Li2TiO3-碳”负极材料。2.根据权利要求1所述的Li2TiO3-碳负极材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)所述的Li2TiO3是由混合锂化合物前体与钛化合物前体经过600至1300℃之间的高温焙烧制备的。3.根据权利要求2所述的Li2TiO3的制备方法，其特征在于：所述的锂化合物前体是氢氧化锂、碳酸锂、碳酸氢锂、硝酸锂、有机羧酸锂中的至少一种，但是不限制于这些锂前体。4.根据权利要求2所述的Li2TiO3的制备方法，其特征在于：所述的钛化合物前体是氧化钛、硝酸氧钛、有机羧酸氧钛和烷氧基钛中的至少一种，但是不限制于这些钛前体。5.根据权利要求1所述的Li2TiO3-碳负极材料的制备方法，其特征在于：特别地步骤(1)所述的Li2TiO3是买来的商业锆酸锂。6.根据权利要求1所述的Li2TiO3-碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述分散剂包括羟烷基纤维素、羟烷基淀粉、及含有极性基团和非极性基团的有机物，所述极性基团选自ROH、RCO2-、RCO2H、RNH3+、R2NH2+、R3NH+、R4N+、R3N、R2NH和RNH2中的至少一种；所述非极性基团选自RCnHm、R2CnHm、R3CnHm、R4CnHm、R5CnHm和R6CnHm中的至少一种；其中，R为烃基，R的下标为每个极性/非极性基团中烃基R的个数，n、m分别为大于等于2并且小于等于32的整数。7.根据权利要求1所述的Li2TiO3-碳负极材料的制备方法，其特征在于：在其中的一种实施方法中，所述的分散剂选自羟烷基纤维素、羟烷基淀粉、醇类、有机酸锂、聚二醇、聚二醇的共聚物、聚胺、聚酰胺、聚酰亚胺、铵盐、季铵盐、季铵碱、和聚胺共聚物中的至少一种。8.根据权利要求7所述的Li2TiO3-碳负极材料的制备方法，其特征在于：所述的铵...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘佑林，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：浙江伏打科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33