[发明专利]锂离子二次电池负极材料钇掺杂钛酸锂及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于电池关键材料和技术领域，具体涉及一种锂离子二次电池负极材料及其制备方法和应用，特别是涉及一种锂离子二次电池负极材料钇掺杂钛酸锂及其制备方法和应用。 

背景技术

锂离子电池由于其能量密度高、自放电小、无记忆效应等优点，在二次电池市场具有主导地位，大量应用于笔记本计算机、移动电话、PDA等电子产品上。随着当今电子设备的小型化和微型化，锂离子电池的研究与应用越来越受到重视。随着电动汽车的发展，高功率型动力电池也成为锂离子电池研究的热点。

近来，尖晶石型钛酸锂作为一种新型的负极材料，在常温下的化学扩散系数比传统的碳负极材料高一个数量级，充放电速度很快，适合于动力电池使用，逐渐成为研究的热点。与传统的碳负极材料相比，“零应变”材料—钛酸锂相对于金属锂的电位为1.55V，远高于多数电解液的还原电压，可避免电解液的还原和钝化膜的生成，同时可阻止金属锂的生成，具有非常优异的循环性能和安全性能。因此，Li₄Ti₅O₁₂是未来可替代碳负极材料的具有极大应用前景的负极材料，具有深入研究的价值。但是，钛酸锂是一种绝缘材料，其导电性差，在大电流充放电时容量衰减快、倍率性能较差。因此，需要通过对其改性提高其电子电导率，从而提高其倍率性能，同时还要保持其良好的循环性能。通过掺杂可以改善其快速充放电性能和高倍率充放电性能，掺杂钇离子还未见报道。本发明采用固相高能球磨法，该制备方法简单，安全，原料来源广泛，成本低，可以实现工业化生产。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术制备钛酸锂负极材料中存在的高倍率下放电性能差的缺陷，提出一种改善锂离子电池负极材料钛酸锂的电子电导率、充放电性能和循环性能的方法。此法制备的钛酸锂负极材料显示出优异的电化学性能。

为了克服Li₄Ti₅O₁₂材料的电子电导率低的缺点，本发明的发明人发现采用固相高能球磨法，掺杂钇离子，可以合成结构稳定、颗粒尺寸较小、循环性能较好、电化学性能优异的Li₄Ti₅O₁₂。

本发明提供一种锂离子二次电池负极材料钇掺杂钛酸锂的制备方法，其特征在于具体步骤为：

A、取锂的化合物，二氧化钛和钇的化合物，按照目标产物为Li_xY_pTi_yO_z中的金属元素的化学计量比称量，加入球磨罐中；其中，0＜x≤8，0≤p＜5，0＜y≤6，1≤z≤12，1/2≤x:y≤2；

B、再向球磨罐加入一定的碳源添加剂，在均匀的介质中球磨，烘干；其中所述的碳源添加剂为混合物总质量的10%~50%;

C、将将烘干的粉末在空气或惰性气氛下煅烧，即制得掺杂钇的钛酸锂复合材料；

其中步骤(c)中采用一步烧结，烧结温度为450~850℃，保温时间为4~15小时，烧结的升温速率控制为60~180℃/小时；或者是采用分段热处理的方法，先以60~200℃/小时的升温速率将温度升至300~500℃，保温2~8小时后，降温至20~50℃，再以30~180℃/小时的升温速率，升温至500~850℃，保温2~20小时,自然降温。

所述的二氧化钛为锐钛矿型。

所述的锂的化合物为硝酸锂、或碳酸锂、或氯化锂、或醋酸锂、或柠檬酸锂、或草酸锂、或甲酸锂、或乳酸锂或异丙醇锂，或含锂的有机醇、酸、酯类化合物。

所述的碳源添加剂为活性炭、乙炔黑、石墨中、葡萄糖、尿素、蔗糖、草酸、柠檬酸、葡萄糖酸、酒石酸、月桂酸、乙二胺四乙酸、聚乙烯醇、聚丙烯醇、聚乙二醇、可溶性淀粉、酚醛树脂、聚甲基丙烯酸甲脂中的一种或其组合。 

所述的钇的化合物为氧化钇、或硝酸钇、或碳酸钇、或醋酸钇、或氯化钇。

所述的球磨介质为水、乙醇、丙酮、乙醚中的一种或其组合，所述的烘干温度为60℃~200℃。

本发明提供一种锂离子二次电池负极材料。

本发明提供一种锂离子二次电池负极材料在锂离子电池体系的应用。

有益效果：

本发明采用固相高能球磨法，该制备方法简单，安全，原料来源广泛，成本低，可以实现工业化生产。在高能球磨过程中掺杂离子，能够显著地提高反应物混合的均匀性，可以改善材料的颗粒形貌。通过掺杂钇离子，可显著提高产物的导电率，改善电极材料的倍率性能和循环性能。