[发明专利]锂离子二次电池及负极、负极的制作方法和充放电方法

说明书

技术领域

本发明属于电池技术领域，具体涉及尖晶石钛酸锂和改性钛酸锂作为锂离子二次电池负极的一种电极制作方法和充放电方法。

背景技术

随着传统能源引起的环境问题日益恶化以及石油资源的日益短缺，清洁能源越来越受到人们的重视。锂离子电池作为一种能量存储器件，具有较高的能量存储密度和功率密度，已经在便携式电子设备中得到广泛应用，并逐渐应用在动力交通工具上。同时，这也对锂离子的功率密度、循环寿命、安全性提出了更高的要求。目前商业锂离子蓄电池大多采用石墨等碳材料作为负极材料，但是碳电极电位(<0.2V vs. Li/Li⁺)与金属锂电位很接近。在电池过充电时，可能在碳电极表面析出金属锂，从而形成锂枝晶造成电池短路，以及可能在高温时热失控等，因此存在安全隐患。石墨等碳材料作为锂离子电池负极材料，在锂离子完全嵌入和脱出过程中有大约9%的形变，其循环寿命也受到影响。探索新的负极材料成为重要趋势。尖晶石结构Li₄Ti₅O₁₂理论容量175mAh/g，嵌锂电位1.54V vs. Li/Li⁺，其安全性相对碳材料明显改善。Li₄Ti₅O₁₂嵌锂后形成Li₇Ti₅O₁₂,其体积形变<1%, 是一种零应变和有前途的长循环寿命负极材料。但Li₄Ti₅O₁₂材料本身电子导电性很差(10^-13 S cm^-1), 中等的锂离子迁移速率（10^-8~10^-13 cm²s^-1），在高倍率下电化学性能很差，并在实际电池使用过程中产生胀气现象，不能满足其作为动力电池的要求。

一般，通过减小Li₄Ti₅O₁₂的颗粒尺寸以缩短锂离子扩散路径和在Li₄Ti₅O₁₂颗粒表面包覆一层导电层的方法来改善其动力学性能。人们已尝试通过在Li₄Ti₅O₁₂颗粒表面包覆导电碳层、金属和金属氮化物的方法提高Li₄Ti₅O₁₂电子导电性和电接触，已经明显改善了Li₄Ti₅O₁₂作为负极的电池倍率性能。但是这些包覆方法处理温度都很高，或者处理方法很复杂，或者采用昂贵的包覆前躯体，很难得到大规模商业应用。目前在商业应用上，为了获得更大的能量密度，Li₄Ti₅O₁₂涂布在铝箔表面以减轻电池总重量。但铝箔表面通常有一层Al₂O₃绝缘层，增加了电子在集流体和活性物质之间的输运势垒，使电池功率密度降低，同时在实际电池充电过程中的截止电压不能任意调节，而且电池过充过程中容易发生铝和锂的合金化反应。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目在于提供一种采用简易、低成本的Li₄Ti₅O₁₂电极制作方法制备锂离子二次电池负极，以提高Li₄Ti₅O₁₂在锂离子二次电池中的动力学性能。本发明的另一目的是提供一种Li₄Ti₅O₁₂作为锂离子二次电池负极充放电方法，及由该电极制成的锂离子二次电池。

为实现上述目的，本发明一种锂离子二次电池负极的制作方法，该负极材料具有以下通式：

              C_xN_y-(Li_aM'_b)₄(Ti_cM_d)₅O_12-e，

其中，C_xN_y为含有碳或碳氮的化合物，是包覆在材料的表面；