[发明专利]一种用于锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂的制造方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种用于锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)的制备方法，属于锂离子电池负极材料制备技术领域。

背景技术

自1990年日本索尼公司开发出采用石油焦为负极的锂离子电池以来，碳材料便受到人们的关注，品种包括人造石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦炭、碳纤维等，是商品化锂离子电池主要负极材料。但是碳材料存在如下缺点：1、和电解液发生反应，形成SEI，造成首次充放电效率较低；2、在负极表面容易沉积金属锂，再加上充电末期没有明显的电压指示，容易造成安全性问题；3、与电解液相容性差，如含PC的电解液在石墨类碳材料中产生共插入等；4、充放电过程中体积变化较大，循环稳定性不理想。与碳材料相比，尖晶石结构钛酸锂充放电过程结构变化非常小，被称为是一种零应变材料，因而具有优良的循环稳定性；相对于金属锂，平台电位在1.55V左右，远离金属锂沉积电位，另外充电末期存在明显的电压指示，所以安全性较好；另一方面和电解液相容性好，首次充电没有SEI膜形成，充放电效率较高。鉴于上述优点，尖晶石结构钛酸锂被认为是一种优异的新型锂离子电池负极材料，同时也是一种有前景的不对称超级电容器负极材料。

钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)的制备方法一般有传统高温固相法、溶胶凝胶法等，传统高温固相法是以TiO₂与Li₂CO₃或者LiOH等在800℃～1000℃高温下合成，反应时间一般12～24小时，该方法优点是工艺简单，容易大规模生产，缺点是产物颗粒较粗大，一般都是微米级，均匀性差；溶胶凝胶法一般采用钛和锂的有机醇盐为前躯体，经水解和溶胶凝胶工艺制备目标产物，该方法和传统高温固相法相比，产物化学纯度高、均匀性好、颗粒较细等，但是该方法采用了有机化合物造成成本升高，另外操作复杂，不适合大规模化生产。

发明内容

本发明的目的在于以廉价的偏钛酸为原料，加入碳或者碳前躯体，降低传统高温固相法烧结温度，得到颗粒细小的钛酸锂；提供一种操作性强，工艺简单，产品性能优于传统高温固相法的制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种用于锂离子电池负极材料尖晶石钛酸锂的制备方法，将偏钛酸、锂的化合物按照原子比Li/Ti＝0.8～0.88进行配料，再加入碳或者碳的前躯体，在介质中均匀混合5～72小时，然后干燥，再在200℃～500℃条件下处理2～20小时，然后在于600℃～900℃条件下合成2～72小时，得到锂离子电池尖晶石结构钛酸锂负极材料。

所说的锂的化合物为氢氧化锂、碳酸锂、氯化锂、碘化锂、硝酸锂、磷酸锂、醋酸锂和草酸锂中的一种或几种混合物。

所说的碳是石墨、乙炔黑，碳前驱体为聚乙二醇、聚乙烯醇和糖中的一种或几种，加入量占总重量的2～30wt％。这里所述的总重量是原料的总重量，即偏钛酸、锂的化合物和碳或者碳的前躯体的总重量。

所说的介质是水、乙醇、丙酮、正丁醇、正丙醇、异丙醇、乙晴、乙醚、乙醇胺中的一种或几种混合物。

所说的干燥温度为70℃～200℃。干燥的目的是将混合后的物料中的液体介质挥发掉，因此，干燥的时间以将液体介质挥发掉为准。

本发明采用廉价的偏钛酸为原料，在原材料中加入碳或者碳的前躯体，降低了合成温度，在反应过程中这些碳或者碳的前躯体抑制了钛酸锂的颗粒长大，相比较高温固相法得到了粒径较小的钛酸锂产物。决定锂离子电池充放电速率的主要因素是锂离子在电极固相内部的扩散速率，如果降低钛酸锂颗粒尺寸，能够有效提高材料大电流充放电性能，改善锂离子电池功率特性。本发明制备的尖晶石钛酸锂作为锂离子电池负极表现出优异的电化学性能，具有广阔的应用前景。

本发明的积极效应是采用廉价的偏钛酸为原材料，加入碳或者碳前躯体的方法，实现了较低温度下合成粒径小于500纳米的尖晶石结构钛酸锂，其倍率性能得到较大改善，而传统高温固相法烧结温度一般为800℃～1000℃，并且得到的碳酸锂颗粒粗大，一般是微米级的产物。该方法工艺简单，可操作性强，容易实现大规模生产。

附图说明

图1实施例1颗粒形貌

图2实施例2颗粒形貌

图3比较例颗粒形貌

图4实施例3XRD谱图

图5实施例3充放电曲线

图6实施例1循环曲线

图7实施例1倍率性能

图8比较例倍率性能