一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术公开了一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料及其制备和应用。本发明专利技术的碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料通过适量的金属掺杂量和碳包覆量来改善钛酸锂材料的产气问题，增强其电子导电性，充分发挥钛酸锂材料寿命长的优点。本发明专利技术中还提供了一种锂离子电池，该锂离子电池负极材料为上述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料，该锂离子电池具有优良的循环稳定性，在3C倍率下，经过8000周充放电循环，容量保持率能保持在90%以上。

Preparation and application of a carbon-coated metal-doped lithium titanate composite

The invention discloses a carbon-coated metal-doped lithium titanate composite material and its preparation and application. The carbon-coated metal-doped lithium titanate composite material of the invention improves the gas production problem of the lithium titanate material by proper metal doping amount and carbon coating amount, enhances its electronic conductivity, and gives full play to the advantages of long service life of the lithium titanate material. The invention also provides a lithium-ion battery. The negative electrode material of the lithium-ion battery is the carbon-coated metal-doped lithium titanate composite material. The lithium-ion battery has excellent cycle stability. After 8000 cycles of charging and discharging at 3C rate, the capacity retention rate can be maintained above 90%.

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料及其制备和应用
本专利技术属于锂离子电池电极材料开发领域，具体涉及一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料及其制备，以及以该复合材料为电极材料的锂离子电池。
技术介绍
锂离子电池作为一种可再生能源，具有容量大、寿命长、对环境友好等优点，广泛应用于电动汽车和便携式电子设备中，随着新能源技术的不断发展，锂离子电池的性能得到不断开发，研究者对锂离子电池的性能进行改进，以满足消费者对锂离子电池的使用要求。锂离子电池的开发过程中，正极材料和负极材料一直都是研究的热点。正极材料方面，高电压、高能量密度的核壳材料被不断开发。负极材料方面，目前广泛使用嵌锂石墨化碳材料，该材料具有价格便宜、制备简单、性能良好等特点，但是在使用过程中体积变化较大，存在较大安全隐患。随着对负极材料研究的深入，研究者开发出一种嵌锂石墨化碳材料优良替代品，即钛酸锂材料。钛酸锂材料具有“零应变”的特点，在使用过程中，能避免由于电极材料的来回伸缩而导致电极结构发生破坏，因此能够提高电极的循环性能、使用寿命和安全性能，同时还具有良好的耐过充、耐过放性能。虽然钛酸锂材料具有上述优异的性能，但是在使用过程中存在产气严重的问题。这是因为电解液中的活性成分，如碳酸丙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）等在钛酸锂表面的Ti4+存在下发生催化分解；并且电解液中存在痕量的水和氢氟酸等，对催化分解有一定的引发作用，由于钛酸锂表面不易存在SEI膜，因此上述催化分解反应会一直存在，导致钛酸锂在使用过程中产气严重。为了解决上述产气严重的问题，研究者通常会采用在钛酸锂表面包覆碳或金属氧化物的方法。例如申请号为201410808197.1名为《一种碳及氧化物复合改性钛酸锂材料的制备方法》的中国专利技术专利，采用微波化合和球磨的方法，制备改性钛酸锂材料，该方法制备的改性钛酸锂材料克服了纯相钛酸锂材料导电率差的问题，改性后的钛酸锂材料的循环性能和倍率性能都得到了有效的提高。虽然该方法制备的改性钛酸锂材料性能提高幅度较大，但是在实际生产中，微波化合法存在反应剧烈、过程不易控制等诸多问题，同时球磨包覆的方法包覆均匀性较差，难以在钛酸锂材料表面形成均匀的包覆层。综上所述，钛酸锂材料的性能还有很大的提升空间。寻找合适的方法对钛酸锂材料进行改性，并在其表面制备合适的包覆层，对进一步提高钛酸锂材料的性能具有重要意义。
技术实现思路
为了解决所述现有技术的不足，本专利技术提供了一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料及其制备和应用。本专利技术钛酸锂复合材料中金属离子掺杂量为复合材料质量的0.5-5%，碳的包覆量为复合材料质量的1-10%，在该掺杂量和包覆量下，钛酸锂复合材料能在50nm-2μm的小粒径情况下保持均匀稳定的性能。通过适量的金属掺杂量和碳包覆量来改善钛酸锂材料的产气问题，增强其电子导电性，充分发挥钛酸锂材料寿命长的优点。本专利技术中采用共沉淀热解碳的方法在钛酸锂材料表面包覆碳，使得包覆效果更加均匀，且不会出现氧化物杂质的影响。本专利技术中还提供了一种锂离子电池，该锂离子电池负极材料为上述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料，该锂离子电池具有优良的循环稳定性，在3C倍率下，经过8000周充放电循环，容量保持率能保持在90%以上。本专利技术所要达到的技术效果通过以下方案实现：本专利技术提供了一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料，该复合材料由钛酸锂、金属离子、碳组成，所述金属离子均匀掺杂于钛酸锂内，所述碳包覆于钛酸锂外表面；所述金属离子掺杂量为所述复合材料质量的0.5-5%，所述碳的包覆量为所述复合材料质量的1-10%。进一步地，所述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料的粒径为50nm-2μm。对钛酸锂材料进行金属掺杂和碳包覆改性，能够有效提高钛酸锂材料的综合性能。金属掺杂量和碳包覆量对钛酸锂性能具有重要影响，当金属、碳的加入量过大时不利于保持钛酸锂的粒径和形貌，不能充分发挥钛酸锂自身的优异性能。当金属、碳的加入量过小时，不能起到良好的改性效果。本专利技术中金属离子掺杂量为复合材料质量的0.5-5%，碳的包覆量为复合材料质量的1-10%。在该掺杂量和包覆量下，钛酸锂复合材料能在50nm-2μm的小粒径情况下保持均匀稳定的性能，能够满足生产上对改性钛酸锂材料粒径、形貌、压实密度等要求。本专利技术中还提供了一种上述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料的制备方法，包括如下步骤：S01，制备前驱体：取锂源和钛源加入溶剂中，在1000-1500r/min下搅拌20-30min后加入金属盐溶液，继续搅拌，然后加入碱溶液，将混合溶液pH值调节至8-12后静置，得到沉淀，将沉淀经过滤、洗涤、干燥后制得前驱体；S02，碳包覆前驱体：将S01中制得的前驱体加入溶剂中，加入碳源，将反应温度调节至90-120℃，在200-400r/min下搅拌30-50min后静置、干燥，制得碳包覆前驱体；S03，煅烧：将S02中制得的碳包覆前驱体研磨后在惰性气氛下煅烧，制得所述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料；所述前驱体中锂离子与钛离子的摩尔比为（0.75-0.95）：1；所述金属盐溶液中金属离子总和与锂离子的摩尔比为（0-0.4）：1；进一步地，所述溶剂为纯水、无水乙醇中的至少一种。进一步地，所述金属盐溶液为可溶性金属盐乙醇溶液、可溶性金属盐水溶液中的至少一种。进一步地，所述金属盐溶液为钠、镁、铝、锰、铁、钴、镍、铜、锌、稀土金属的硝酸盐、硫酸盐、氯化盐中的一种或几种。进一步地，所述碱溶液的pH值大于或等于13。进一步地，所述碳源为葡萄糖、聚乙烯醇、环氧树脂、酚醛树脂、沥青中的一种或几种。进一步地，所述煅烧条件为在500-1000℃煅烧5-15h；或者先在500-600℃下煅烧1-3h，然后在650-750℃下煅烧0.5-2h，最后在800-1000℃下煅烧8-10h。本专利技术中钛酸锂复合材料的制备方法工艺简单，成本低，具有很好的实用性。现有技术中多采用在惰性气体保护下的固相球磨法对钛酸锂材料进行包覆，该方法制作的包覆层均匀性较差。本专利技术中采用共沉淀热解碳的方法在钛酸锂材料表面包覆碳，使得包覆效果更加均匀，且不会出现氧化物杂质的影响。同时，本专利技术中的制备方法能够得到不同厚度（纳米级、微米级）、不同粒径分布（纳米级、微米级）、不同压实密度的钛酸锂复合材料产品，满足生产上对钛酸锂复合材料物理和化学性能的要求。本专利技术中还提供了一种上述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料的应用，即制备一种锂离子电池，所述锂离子电池的负极材料为上述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料。该锂离子电池具有优良的循环稳定性，在3C倍率下，经过8000周充放电循环，容量保持率能保持在90%以上。本专利技术具有以下优点：1.本专利技术中钛酸锂复合材料具有适宜金属掺杂量和碳包覆量，使钛酸锂复合材料能在50nm-2μm的小粒径情况下保持均匀稳定的性能，能够满足生产上对改性钛酸锂材料粒径、形貌、压实密度等要求。2.本专利技术中采用共沉淀热解碳的方法在钛酸锂材料表面包覆碳，使得包覆效果更加均匀，且不会出现氧化物杂质的影响。3.本专利技术中钛酸锂复合材料制备方法简单、成本低，适用于工业生产。4.本专利技术中钛酸锂复合材料具有良好的电化学性能，使用寿命长，由此复合材料制备的锂离子电池循环性能佳。附图说明图1为本专利技术中碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料作为负极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料，其特征在于：由钛酸锂、金属离子、碳组成，所述金属离子均匀掺杂于钛酸锂内，所述碳包覆于钛酸锂外表面；所述金属离子掺杂量为所述复合材料质量的0.5‑5%，所述碳的包覆量为所述复合材料质量的1‑10%。

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料，其特征在于：由钛酸锂、金属离子、碳组成，所述金属离子均匀掺杂于钛酸锂内，所述碳包覆于钛酸锂外表面；所述金属离子掺杂量为所述复合材料质量的0.5-5%，所述碳的包覆量为所述复合材料质量的1-10%。2.如权利要求1所述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料，其特征在于：所述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料的粒径为50nm-2μm。3.一种如权利要求1-2任一所述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S01，制备前驱体：取锂源和钛源加入溶剂中，在1000-1500r/min下搅拌20-30min后加入金属盐溶液，继续搅拌，然后加入碱溶液，将混合溶液pH值调节至8-12后静置，得到沉淀，将沉淀经过滤、洗涤、干燥后制得前驱体；S02，碳包覆前驱体：将S01中制得的前驱体加入溶剂中，加入碳源，将反应温度调节至90-120℃，在200-400r/min下搅拌30-50min后静置、干燥，制得碳包覆前驱体；S03，煅烧：将S02中制得的碳包覆前驱体研磨后在惰性气氛下煅烧，制得所述碳包覆金属掺杂钛酸锂复合材料；所述前驱体中锂离子与钛离子的摩尔比为（0.75-0.95）：1；所述金属盐溶液中金属离子总和与锂离...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑞龙，刘科，
申请(专利权)人：深圳市比克动力电池有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44