钛酸锂电池及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种钛酸锂电池及其制备方法和应用，涉及电池领域，该钛酸锂电池，其正极材料中采用以能容许电解质锂盐中的阴离子可逆地插层以及脱出的材料为正极活性材料，使得该钛酸锂电池其应用不再受钴、锰资源的制约，大大降低了钛酸锂电池的生产成本，另外，由于上述正极活性材料在高电位下更加稳定，不会出现热失控而带来的材料分解问题，从而保证了钛酸锂电池的安全性；同时，该钛酸锂电池通过正极材料与负极材料相匹配，结合负极转化过程中钛酸锂的零应变效应从根本上解决了嵌入‑脱嵌锂过程中的体积膨胀，提供了远高于传统钛酸锂电池的电压窗口。本发明专利技术还提供了上述钛酸锂电池的制备方法，该制备方法工艺简单，成本低。

【技术实现步骤摘要】
钛酸锂电池及其制备方法和应用
本专利技术涉及电池
，尤其是涉及一种钛酸锂电池及其制备方法和应用。
技术介绍
随着消费类电子、电动交通工具、储备电源、绿色建筑、便携式医疗电子设备等领域的飞速发展，迫切需要具有更高能量密度、更高功率密度、更长寿命的可充电储能器件。锂离子电池作为当下一种高效的、可多次使用的二次电池，由于其具有高功率密度、高能量密度、绿色友好、无记忆效应、自放电低、循环寿命长等优点，广泛应用于各个行业。钛酸锂(Li4Ti5O12，LTO)，反尖晶石结构，不导电的白色粉末，在空气中可稳定存在。钛酸锂最大的特点是“零应变性”，即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％。将其作为电极材料，在充放电循环中，这种“零应变性”的特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、过放性能。同时，钛酸锂有着1.55V(vsLi/Li+)稳定的放电平台，具有较高的安全性，可将其作为负极材料，与高电压的磷酸铁锂、钴酸锂或三元材料等正极材料匹配，组成新型的锂离子电池，又称为钛酸锂电池或超级电池。在当前的商业化钛酸锂电池中，与负极匹配的正极中正极活性材料主要为磷酸铁锂、锰酸锂或高镍三元材料等，故钛酸锂电池存在着如下问题：(1)钛酸锂的放电平台较高(1.55VvsLi/Li+)，其作为负极，就需要更高电位的正极材料与之匹配，而越高的电压会造成材料的不稳定，所以，其构成的全电池的操作电压较为有限，一般仅有1.9V～2.4V；(2)目前钛酸锂电池的正极材料由于需要钴、锰等资源，在当下资源有限的前提下，无疑是增加了钛酸锂电池的生产成本，不利于钛酸锂电池的产业化；(3)且目前钛酸锂电池的正极材料充放电过程中结构容易不稳定，给钛酸锂电池带来了很大的安全隐患，直接制约了钛酸锂电池的产业化应用。有鉴于此，特提出本专利技术以解决上述技术问题中的至少一个。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于提供一种钛酸锂电池，该钛酸锂电池以能容许电解质锂盐中的阴离子可逆地插层以及脱出的材料作为正极活性材料，使得钛酸锂电池应用不再受钴、锰资源的制约，大大降低了钛酸锂电池的生产成本，同时也提升了该钛酸锂电池的安全性和电压窗口。本专利技术的第二目的在于提供一种上述钛酸锂电池的制备方法，该制备方法具有工艺流程简单且生产成本低的优点。本专利技术的第三目的在于提供上述钛酸锂电池的应用。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钛酸锂电池，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述隔膜和电解液介于所述正极与所述负极之间；其中，所述电解液包括电解质锂盐和溶剂；所述正极包括正极材料和正极集流体，所述正极材料包括正极活性材料，所述正极活性材料为能容许电解质锂盐中的阴离子可逆地插层以及脱出的材料；所述负极包括负极材料和负极集流体，所述负极材料包括负极活性材料，所述负极活性材料为钛酸锂和/或钛酸锂复合物。进一步的，在本专利技术的技术方案的基础之上，所述正极活性材料为石墨类材料、硫化物、氮化物、氧化物或碳化物中的任意一种或者至少两种的组合；或，所述正极活性材料为至少包含石墨类材料、硫化物、氮化物、氧化物或碳化物中任意一种的复合材料。进一步的，在本专利技术的技术方案的基础之上，所述石墨类材料包括天然石墨、人造石墨或石墨烯微片中的任意一种或者至少两种的组合；和/或，所述硫化物包括二硫化钼、二硫化钨、二硫化钒或二硫化钛中的任意一种或者至少两种的组合；和/或，所述氮化物包括六方氮化硼和/或碳掺杂六方氮化硼；和/或，所述氧化物包括三氧化钼、三氧化钨、五氧化二钒或二氧化钛中的任意一种或者至少两种的组合；和/或，所述碳化物包括碳化钛、碳化钽、碳化钼或碳化硅中的任意一种或者至少两种的组合。进一步的，在本专利技术的技术方案的基础之上，所述正极活性材料为石墨类材料，所述石墨类材料的厚度为3nm-100μm，优选为5nm-10μm。进一步的，在本专利技术的技术方案的基础之上，所述钛酸锂复合物包括包覆类钛酸锂材料、复合类钛酸锂材料、卤化钛酸锂材料或金属掺杂类钛酸锂材料中的任意一种或至少两种的组合。进一步的，在本专利技术的技术方案的基础之上，所述包覆类钛酸锂材料包括铝膜包覆钛酸锂、金包覆钛酸锂、银包覆钛酸锂、铜包覆钛酸锂、碳包覆钛酸锂、氟化锌包覆钛酸锂、氟化铝包覆钛酸锂、氟化镁包覆钛酸锂或石墨烯复合氢氧化铝包覆钛酸锂中的任意一种或至少两种的组合；和/或，所述复合类钛酸锂材料包括钛酸锂-石墨烯复合材料、钛酸锂-氟化石墨烯复合材料、钛酸锂-碳纳米管复合材料或钛酸锂-二氧化钛复合材料中的任意一种或至少两种的组合；和/或，所述卤化钛酸锂材料为氟化钛酸锂；和/或，所述金属掺杂类钛酸锂材料包括银掺杂钛酸锂、钠掺杂钛酸锂、钾掺杂钛酸锂、铜掺杂钛酸锂、铝掺杂钛酸锂、镍掺杂钛酸锂、钴掺杂钛酸锂、钼掺杂钛酸锂、镧掺杂钛酸锂、钛掺杂钛酸锂、铈掺杂钛酸锂、钙掺杂钛酸锂、锶掺杂钛酸锂、铁掺杂钛酸锂、铌掺杂钛酸锂、锆掺杂钛酸锂或钒掺杂钛酸锂中的任意一种或至少两种的组合。进一步的，在本专利技术的技术方案的基础之上，所述电解质锂盐包括六氟磷酸锂、氟化锂、氯化锂、硫酸锂、硝酸锂、磷酸锂、二氟草酸硼酸锂、焦磷酸锂、十二烷基苯磺酸锂、十二烷基硫酸锂、柠檬酸三锂、偏硼酸锂、钼酸锂、硼酸锂、钨酸锂、亚硝酸锂、溴化锂、碘酸锂、硅酸锂、碘化锂、木质素磺酸锂、铝酸锂、草酸锂、甲基磺酸锂、醋酸锂、重铬酸锂、四氟硼酸锂、六氟砷酸锂、高氯酸锂、氰硫化锂、三氟甲磺酸锂或三氟甲烷磺酰亚胺锂中的任意一种或至少两种的组合，优选为六氟磷酸锂；和/或，所述溶剂包括有机溶剂或离子液体；和/或，所述电解液中还包括添加剂。进一步的，在本专利技术的技术方案的基础之上，所述钛酸锂的能量密度不低于100Wh/kg，比容量不低于70mAh/g，平均放电电压不低于3.0V。本专利技术还提供了上述钛酸锂电池的制备方法，包括以下步骤：将正极、电解液、隔膜和负极进行组装，得到钛酸锂电池。本专利技术还提供了上述钛酸锂电池或采用上述钛酸锂电池的制备方法制得的钛酸锂电池在电子装置、电动工具、电动车辆或电力存储系统中的应用。与已有技术相比，本专利技术提供的钛酸锂电池、钛酸锂电池的制备方法及应用具有如下有益效果：(1)本专利技术提供的钛酸锂电池，其正极材料中采用以能容许电解质锂盐中的阴离子可逆地插层以及脱出的材料为正极活性材料，其负极材料采用钛酸锂和/或钛酸锂复合物为负极活性材料，主要由具有上述正极材料和负极材料的正极和负极、隔膜和电解液构成的钛酸锂电池，其应用不再受钴、锰资源的制约，大大降低了钛酸锂电池的生产成本；此外，由于上述正极材料相对磷酸铁锂、锰酸锂或高镍三元材料等其他正极材料，在高电位下更加稳定，不会出现热失控而带来的材料分解问题，从而保证了钛酸锂电池的安全性；同时，通过正极材料与负极材料相匹配，结合负极转化过程中钛酸锂的零应变效应从根本上解决了嵌入-脱嵌锂过程中的体积膨胀，大大降低了新型钛酸锂电池的生产成本，且提供了远高于传统钛酸锂电池的电压窗口。(2)本专利技术提供的钛酸锂电池，经检测，其能量密度不低于100Wh/kg，比容量不低于70mAh/g，平均放电电压不低于3.0V，具有良好的电化学性能。(3)本专利技术提供的钛酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛酸锂电池，其特征在于，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述隔膜和电解液介于所述正极与所述负极之间；其中，所述电解液包括电解质锂盐和溶剂；所述正极包括正极材料和正极集流体，所述正极材料包括正极活性材料，所述正极活性材料为能容许电解质锂盐中的阴离子可逆地插层以及脱出的材料；所述负极包括负极材料和负极集流体，所述负极材料包括负极活性材料，所述负极活性材料为钛酸锂和/或钛酸锂复合物。

【技术特征摘要】
1.一种钛酸锂电池，其特征在于，包括正极、负极、隔膜和电解液，所述隔膜和电解液介于所述正极与所述负极之间；其中，所述电解液包括电解质锂盐和溶剂；所述正极包括正极材料和正极集流体，所述正极材料包括正极活性材料，所述正极活性材料为能容许电解质锂盐中的阴离子可逆地插层以及脱出的材料；所述负极包括负极材料和负极集流体，所述负极材料包括负极活性材料，所述负极活性材料为钛酸锂和/或钛酸锂复合物。2.根据权利要求1所述的钛酸锂电池，其特征在于，所述正极活性材料为石墨类材料、硫化物、氮化物、氧化物或碳化物中的任意一种或者至少两种的组合；或，所述正极活性材料为至少包含石墨类材料、硫化物、氮化物、氧化物或碳化物中任意一种的复合材料。3.根据权利要求2所述的钛酸锂电池，其特征在于，所述石墨类材料包括天然石墨、人造石墨或石墨烯微片中的任意一种或者至少两种的组合；和/或，所述硫化物包括二硫化钼、二硫化钨、二硫化钒或二硫化钛中的任意一种或者至少两种的组合；和/或，所述氮化物包括六方氮化硼和/或碳掺杂六方氮化硼；和/或，所述氧化物包括三氧化钼、三氧化钨、五氧化二钒或二氧化钛中的任意一种或者至少两种的组合；和/或，所述碳化物包括碳化钛、碳化钽、碳化钼或碳化硅中的任意一种或者至少两种的组合。4.根据权利要求2所述的钛酸锂电池，其特征在于，所述正极活性材料为石墨类材料，所述石墨类材料的厚度为3nm-100μm，优选为5nm-10μm。5.根据权利要求1-4任意一项所述的钛酸锂电池，其特征在于，所述钛酸锂复合物包括包覆类钛酸锂材料、复合类钛酸锂材料、卤化钛酸锂材料或金属掺杂类钛酸锂材料中的任意一种或至少两种的组合。6.根据权利要求5所述的钛酸锂电池，其特征在于，所述包覆类钛酸锂材料包括铝膜包覆钛酸锂、金包覆钛酸锂、银包覆钛酸锂、铜包覆钛酸锂、碳包覆钛酸锂、氟化锌包覆钛酸锂、氟化铝包覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，于奥，张苗，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44