[发明专利]碳包覆钛酸锂负极材料及其制备方法和其应用

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池材料领域，具体涉及一种碳包覆钛酸锂负极材料及其制备方法和其应用。

背景技术

锂离子电池是一种新型的可充电电池，具有高电压、高能量密度、环保无污染等优点，被誉为“最有前景的化学电源”，一经问世就备受关注。近年来，锂离子电池已广泛应用于各种便携式电子产品和通讯工具中。在当今世界能源日趋匮乏的形势下，各国政府和各大汽车企业正在加紧开发无排放、无污染的电动汽车，如何改善电动汽车中电池的倍率性能成为新的研究热点。

锂离子电池主要包括正极、负极、隔膜、电解液和外壳等部件，其安全性和倍率性能很大程度取决于负极材料的组成和性质。锂离子电池的成功商品化应用主要归功于用嵌锂化合物代替金属锂负极所取得的技术进步。

目前，商业化的锂离子电池负极材料大多采用嵌锂碳材料。碳材料具有来源广泛、价格低廉、充放电电压平台低、理论容量高等优点，但存在首次充放电效率低、与电解液发生作用、电池的安全性能差、大电流充放电性能差、循环寿命短等缺陷。因此，寻找安全性更好、大倍率充放电性能更优的负极材料势在必行。

1996年，加拿大研究者K.zaghib首次提出，采用钛酸锂材料作负极与高电压正极材料组成锂离子电池，与炭电极组成电化学电容器。之后，国内外很多研究者将其作为锂离子电池负极材料开展了研究。2007年，日本东芝公司宣布开发基于钛酸锂材料的锂离子电池“SCiB”，旨在将其应用于混合动力领域。美国Enerdel公司在AABC-07会议上展示了混合动力车用钛酸锂动力电池。

钛酸锂是一种具有长寿命、可大电流充放电、安全、环保、平衡电位高、优良的循环性能、非常平坦的电压平台等特性的高性能锂离子电池负极材料，且其平台容量超过总容量的85％，以其代替碳负极材料可以从根本上消除锂离子电池的安全隐患，使锂离子电池的循环性能和快速充放电性能得以大幅度地提高，且避免了金属锂沉积产生的锂枝晶，锂离子在嵌入和脱出的过程中，体积变化小于1％，称为“零应变”材料，并且具备原料易得、容易制备等优点。但是，钛酸锂的电导率低，在高倍率充放电时电容量不能很好地发挥出来，因此，需要对其改性来提高其导电性。

钛酸锂已有的制备方法主要包括固相法和溶胶-凝胶法，其中，固相法的产物为大电流性能较差的微米或亚微米粉末；溶胶-凝胶法是制备高性能尖晶石结构钛酸锂的有效方法，其产物粒度小，粒径分布集中，循环寿命及大电流充放电性能明显优于固相反应产物，但是该方法多数采用价格昂贵，容易均匀分散的钛、锂有机化合物，以及含有有机溶剂或有机交联剂的原料体系，故存在原料成本高，工艺路线冗长，不利于工业化转化等缺陷。CN101847717A公开了固相法制备锂离子电池钛酸锂复合负极材料的方法，该方法将Li₂CO₃粉末和TiO₂粉末配料后，加入酒精调成糊状，经球磨干燥后进行一次焙烧，得到钛酸锂材料，再加入金属化合物，球磨后进行二次焙烧，得到钛酸锂复合负极材料，制得的钛酸锂复合负极材料在0.5C放电倍率下的放电比容量为227mAh/g，5C时达到161mAh/g，表现了优良地大倍率充放电性能，但是，该方法采用两次球磨增加了反应历程，且需加入金属化合物，增加了制造成本。CN101172646A公开了一种尖晶石结构钛酸锂的制备方法，该方法以钛、锂的无机化合物为原料，有机酸或铵盐为配位剂，采用水溶液溶胶-凝胶法合成凝胶前躯体，凝胶前躯体经焙烧，制得疏松多孔、粒度范围为0.5-10μm的尖晶石结构钛酸锂，且所得的尖晶石结构钛酸锂的大电流性能、欧姆内阻等性能均优于固相反应产物。但是，该方法存在工艺复杂，成本高，不适合大规模生产等缺陷。为此，寻找制造成本低，适合工业化，制得电化学性能优良的钛酸锂的方法成为目前研究的热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳包覆钛酸锂负极材料，所述的钛酸锂负极材料采用一步半液相混料方法制备得到，所述的一步半液相混料制备方法包括下述步骤：

(1)将锂源、钛源和碳源粉碎成细粉，筛取粒径不高于300目的部分，称取所需量的锂源、钛源和碳源，将其置于振荡混合器中，振荡至混合均匀，制得均匀的原料混合物，其中，钛离子与锂离子之间的摩尔比为1∶0.5-1.5，碳源的量占三种原料总量的1-30wt％；

(2)将步骤(1)制得的原料混合物加入到浓度为0.01-0.04g/ml的絮凝剂溶液中，搅拌，制得浆料前躯体，其中，原料混合物：絮凝剂溶液之间的质量体积比为1∶0.5-4.0；