[发明专利]钛酸锂负极材料及制备方法和采用该负极材料制得的电池

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池、超级电容器领域，特别地，涉及一种钛酸锂负极材料及制备方法。此外，本发明还涉及一种采用上述负极材料制得的电池。

背景技术

随着化石能源的日渐枯竭和环境污染的日益加剧，汽车动力的来源问题受到前所未有的关注。目前移动电子设备的电源通常采用锂离子电池，这种电池同时可以作为超级电容器为电动汽车供能。但是，现有商业化锂离子电池通常采用钴酸锂或镍钴锰三元材料为正极、碳材料为负极，这种正负极配对如果应用在动力电池上，将会产生很大的安全问题。在动力电池不断的充放电过程中，锂离子很有可能在碳材料表面形成锂枝晶，从而刺穿隔膜导致电池短路。目前一种新型的锂离子电池负极材料钛酸锂逐渐成为研究的热点，它具有诸多优点：(1)在锂离子嵌入脱出的过程中晶体结构能够保持高度的稳定性，而使其具有优良的循环性能和平稳的放电电压；(2)具有相对较高的电极电压(1.55V)，这使得该电极材料能够在大多数液体电解质的稳定电压区间中使用，从而避免了电解液分解现象或保护层的生成；(3)Li₄Ti₅O₁₂在充电到尖晶石结构和岩盐结构两相区时电压出现平台，利用这一点，可作为充电结束的指示；(4)Li₄Ti₅O₁₂在常温下的化学扩散系数为2×10^-8cm²·s^-1，比碳负极材料大1个数量级，充放电速率很快。

但是，锂离子电池如果要具备良好的电化学性能，必须同时具备高离子导电性和电子导电性。钛酸锂的尖晶石型结构为锂离子提供了良好的三维通道，锂离子电导率相当高；但是，钛酸锂材料的电子电导率则很差。现有技术在改进钛酸锂导电性上，基本采用两种方法：（1）是在钛酸锂负极材料中掺杂其它元素，如；钠（Na）、镁(Mg)、锌（Zn）、钽（Ta）、铌（Nb）、锆(Zr)、铜（Cu）、铬（Cr）、镍（Ni）、锰（Mn）、钇（Y）和一些稀土金属元素（镧系）；（2）表面碳包覆。虽然以上方法能在一定程度上解决钛酸锂材料电子电导率差的问题，但其电化学性能依旧不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种钛酸锂负极材料及制备方法和采用该负极材料制得的电池，以解决钛酸锂材料电子电导率差，电化学性能不理想的问题。

为实现上述目的，本发明的一方面提供了一种钛酸锂负极材料，上述钛酸锂负极材料的化学式为：Li_4-xCa_xTi_5-yHf_yO₁₂，其中，0.01≤x≤0.05，0.001≤y≤0.01。

进一步地，X的范围0.015≤x≤0.03，Y的范围0.0015≤y≤0.005。

进一步地，X=0.02，Y=0.002。

进一步地，钛酸锂负极材料的粒径为1~5μm。

本发明的另一方面还提供了一种钛酸锂负极材料的制备方法，包括以下步骤：将钛源，锂源，钙源和铪源混合后得到第一物料；将第一物料进行烧结得到第二物料；将第二物料进行粉碎，分散，获得钛酸锂负极材料。

进一步地，钙源为碳酸钙、氢氧化钙、氯化钙中的一种或任意种。

进一步地，铪源为Hf金属粉末、氧化铪或乙醇铪的一种或任意种。

本发明的另一方面，还提供了一种电池，该电池采用上述的钛酸锂负极材料作为负极材料。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过掺杂钙、铪两种元素，使钛酸锂负极材料具有优异的倍率性能、良好的导电性能，具有循环性能优异，重现性好等优点，并且原料价格低廉，制备工艺简单，适合工业化规模生产。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明优选实施例产品50次循环容量测试图；

图2为本发明优选实施例产品的倍率性能曲线图；

图3为本发明优选实施例产品的X-射线衍射图谱；

图4为本发明优选实施例产品的扫描电镜照片；

图5为本发明优选实施例产品的粒径分布图。

具体实施方式