一种锂离子电池用含铌酸钛负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池用含铌酸钛负极材料及其制备方法，所述负极材料包含铌酸钛颗粒和包覆碳；所述铌酸钛颗粒可用Ti1‑

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池用含铌酸钛负极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电池
，具体为一种锂离子电池用含铌酸钛负极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池被认为是目前最具潜力的储能技术，在各类便携式电子产品例如手机、电脑、手表、无人机等中应用已非常普遍。近年来，由于新能源电动车的快速发展，市场对锂电池的需求进一步增加。锂离子电池迎来巨大的市场空间，但仍然面临诸多挑战，比如如何进一步提升电池能量密度、循环性能、充电效率、使用寿命、安全性等性能。
[0003]钛酸锂负极材料由于锂离子在嵌入脱出过程中晶格参数几乎没有变化，所以被称为零应变材料。其中锂离子的脱嵌高度可逆，因此具有相当优异的循环性能，循环寿命可达三万次左右。与此同时，锂离子脱嵌电位为1.5V左右，电压平台平坦，充放电过程中不会形成固体
‑
电解质钝化膜(SEI膜)，降低了在阳极表面形成锂枝晶而造成内部短路的安全隐患。但是，钛酸锂材料理论容量比较低，因此开发安全性高，比容量高并且循环寿命长的功率型负极材料越来越受到关注。
[0004]铌酸钛相较于钛酸锂具有较高的理论比容量，锂离子脱嵌过程中晶格参数和晶胞体积变化较小，可逆性较高；且其充放电电位在1.6V左右，循环过程中不易产生SEI膜和锂枝晶，因此是一种颇具应用前景的钛酸锂替代材料。然而，钛铌氧化物存在离子和电子电导率较低的问题，限制了其电化学性能的提升。为了改善铌酸钛的电化学性能，急需一种高电导率的碳包覆材料，和铌酸钛混合使用作为锂电池负极材料。
专利技术内容
[0005]为了解决上述铌酸钛负极材料存在的问题，本专利技术提供一种锂电池用含铌酸钛负极材料及制备方法，所述负极材料包含铌酸钛颗粒和包覆碳。
[0006]更具体的，本专利技术提供了一种锂离子电池用含铌酸钛负极材料，其特征在于：所述负极材料包含铌酸钛颗粒和包覆碳；所述负极材料中含有90wt％
‑
99wt％的铌酸钛，优选为95wt％
‑
99wt％；含有1wt％
‑
10wt％的包覆碳，优选为1wt％
‑
5wt％。
[0007]优选的，所述含铌酸钛负极材料的比表面积为2
‑
20m2/g，优选为5
‑
15m2/g；所述含铌酸钛材料的二次颗粒中值粒径D50为5
‑
20μm，优选10
‑
15μm。
[0008]优选的，所述铌酸钛颗粒可用Ti1‑
x
Nb
2+x
O7表示，其中0＜x＜0.1。
[0009]优选的，所述负极材料的表面被碳层覆盖，包覆碳层的平均厚度为10
‑
300nm，优选为50
‑
250nm。
[0010]优选的，所述铌酸钛一次颗粒的中值粒径D50在300nm以下。
[0011]优选的，所述铌酸钛颗粒通过如下方法制备得到：将中值粒径为1
‑
200μm、纯度>99％的钛源、铌源和水导入砂磨机的研磨罐中，控制混合溶液固含量10％
‑
30％，砂磨机线速度>14m/s，研磨时间为1
‑
6h，优选2
‑
4h，得到第一浆料；浆料经喷雾干燥后在空气中高温
煅烧，煅烧温度为800
‑
1300℃，优选950
‑
1200℃，煅烧时间为8
‑
15h，优选10
‑
12h，然后自然冷却至室温得到铌酸钛材料，将该材料用锤磨机粉碎得到铌酸钛粉体；
[0012]所述钛源为二氧化钛；
[0013]所述铌源为五氧化二铌或氢氧化铌。
[0014]优选的，所述湿法研磨设备为砂磨机，砂磨机搅拌轴的结构形状为盘式，棒式或棒盘式。
[0015]优选的，所述包覆碳包括气相碳源高温分解形成的碳或固相碳源高温煅烧后的残留碳，高温反应均在惰性气氛中进行；
[0016]所述气相碳源包括甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、丙烷、丙烯、丙酮、丁烷、丁烯、戊烷、己烷、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、萘、苯酚、呋喃、吡啶、蒽或液化气；
[0017]所述固相碳源没有特殊限定，包括但不限于葡萄糖、麦芽糖、蔗糖等小分子糖类、淀粉、或聚乙二醇；
[0018]高温为600
‑
1000℃，优选为700
‑
800℃。
[0019]优选的，所述含铌酸钛负极材料具有优异的化学性能，首次可逆容量>255mAh/g；循环性能1C充放电50次循环容量保持率>98％、倍率性能10C可逆容量>189mAh/g；10C/1C容量保持率>78％。
[0020]本专利技术还涉及一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池负极材料为上述任一项所述的锂离子电池用含铌酸钛负极材料。
[0021]本专利技术通过控制与铌酸钛TiNb2O7相比铌过量的组成，进行铌掺杂，降低能带间隙，提升电子导电率，提升循环及倍率性能。通过减小铌酸钛一次颗粒粒径，提高界面电荷传输效率，缩短锂离子传输路径，明显提高离子导电率，进而优化倍率性能。包覆碳能显著改善材料表面的导电性能，并隔离电解液对负极材料的浸蚀，提升含铌酸钛负极材料的循环寿命及倍率性能。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0023](1)在本专利技术制备的含铌酸钛负极材料中，通过控制与铌酸钛TiNb2O7相比铌过量的组成(Ti1‑
x
Nb
2+x
O7表示，其中0＜x＜0.1)进行铌掺杂，降低能带间隙，提升电子导电率，改善循环及倍率性能；
[0024](2)在本专利技术制备的含铌酸钛负极材料中，铌酸钛一次颗粒粒径在300nm以下，通过减小铌酸钛一次颗粒粒径，提高界面电荷传输效率，缩短锂离子传输路径，明显提高离子导电率，进而优化倍率性能；
[0025](3)在本专利技术制备的含铌酸钛负极材料中，包覆碳能显著改善材料表面的导电性能，并隔离电解液对负极材料的浸蚀，提升含铌酸钛负极材料的循环寿命及倍率性能；
[0026](4)本专利技术制备的含铌酸钛负极材料具有优异的化学性能，首次可逆容量高(>255mAh/g)、循环性能优异(1C充放电50次循环容量保持率>98％)、倍率性能好(10C可逆容量>189mAh/g；10C/1C容量保持率>78％)。
附图说明
[0027]下面结合附图对本专利技术进一步说明。
[0028]图1为实施例1制备的碳包覆铌酸钛材料的X射线衍射图谱；
[0029]图2为实施例1制备的碳包覆铌酸钛材料的扫描电镜SEM图；
[0030]图3为实施例1制备的碳包覆铌酸钛材料的透射电镜TEM图；
[0031]图4为实施例1制备的碳包覆铌酸钛材料本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池用含铌酸钛负极材料，其特征在于：所述负极材料包含铌酸钛颗粒和包覆碳；所述负极材料中含有90wt％
‑
99wt％的铌酸钛，优选为95wt％
‑
99wt％；含有1wt％
‑
10wt％的包覆碳，优选为1wt％
‑
5wt％。2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含铌酸钛负极材料，其特征在于：所述含铌酸钛负极材料的比表面积为2
‑
20m2/g，优选为5
‑
15m2/g；所述含铌酸钛材料的二次颗粒中值粒径D50为5
‑
20μm，优选10
‑
15μm。3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含铌酸钛负极材料，其特征在于：所述铌酸钛颗粒可用Ti1‑
x
Nb
2+x
O7表示，其中0＜x＜0.1。4.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含铌酸钛负极材料，其特征在于：所述负极材料的表面被碳层覆盖，包覆碳层的平均厚度为10
‑
300nm，优选为50
‑
250nm。5.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含铌酸钛负极材料，其特征在于：所述铌酸钛一次颗粒的中值粒径D50在300nm以下。6.根据权利要求1所述的一种锂离子电池用含铌酸钛负极材料，其特征在于：所述铌酸钛颗粒通过如下方法制备得到：将中值粒径为1
‑
200μm、纯度>99％的钛源、铌源和水导入砂磨机的研磨罐中，控制混合溶液固含量10％
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30％，砂磨机线速度>14m/s，研磨时间为1

【专利技术属性】
技术研发人员：杨清华，张少波，王浩，
申请(专利权)人：深圳市铂锐能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：