[发明专利]含钇锂离子电池负极材料钛酸锂包碳复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电池电极材料的制备方法，特别涉及一种含钇锂离子电池负极材料钛酸锂包碳复合材料的制备方法。

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，广泛应用于移动通讯、笔记本电脑、移动电话、摄像机、照相机、便携式仪器仪表等领域，迅速发展成为目前最重要的二次电池之一。随着电子产品的日益小型化和微型化，锂离子电池的研究与应用越来越受到重视。目前商业化的锂离子电池大多采用石墨等碳材料为负极与LiCoO₂组成摇椅式可充电池。尽管相对于金属锂而言，碳材料在安全性能、循环性能等方面有了很大的改进，但是仍存在难以克服的缺点：与电解液发生反应形成表面钝化膜，导致电解液消耗和首次库伦效率较低；碳电极与金属锂的电极电位相近，在电池过充电时，仍可能会在碳电极表面析出金属锂，而形成枝晶造成短路，导致电池爆炸，引发安全问题。为了解决锂电池的安全问题，人们做了大量的研究。

近年来，尖晶石型钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂作为一种新型的负极材料，由于其具有“零应变”，循环性能好等优点，逐渐成为锂离子动力电池负极材料的研究热点。若以钛酸锂替代碳作为锂离子电池负极材料，由于钛酸锂/锂具有相对较高的电极电位(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，同时可阻止金属锂在负极上析出，从根本上解决了锂晶枝引起的短路问题，具有非常优异的循环性能和安全性能。因此，钛酸锂材料可作为锂离子电池的负极材料，受到广大研究者的广泛专注。由于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。

经过对现有技术的检索发现，大批量制备钛酸锂一般采取传统高温固相法，传统的高温固相法的反应条件一般是在800℃~1000℃烧结3h~24h，随炉温冷却后得到理想的尖晶石结构的Li₄Ti₅O₁₂，该方法优点是工艺简单，容易大规模生产，缺点是产物的颗粒较粗大，一般是微米级。

发明内容

本发明针对传统高温固相法的缺点，采用两步固相高能球磨煅烧的方法，在较低温度下合成结构稳定、颗粒尺寸较小、循环性能较好、电化学性能优异的复合Li₄Ti₅O₁₂。

本发明的目的是为了克服现有技术制备的钛酸锂负极材料电子电导率低的缺点，本发明提出的一种含钇钛酸锂包碳复合材料的改性方法，通过两步固相高能球磨法，掺杂钇离子，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。

本发明提供一种含钇锂离子电池负极材料钛酸锂包碳复合材料的制备方法，其特征在于该方法的具体步骤为：(1)将锂的可溶性化合物，二氧化钛(锐钛矿型)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，加入到球磨罐中，再加入有机小分子碳源前驱体混合，在均匀的介质中球磨，烘干；其中，0＜x≤8，0＜p＜5，0＜y≤6，1≤z≤12，1/2≤x:y≤2； (2)然后将烘干的粉末在空气或惰性气氛下，在300～600℃条件下保温2～20小时，得到烧结前驱体；(3) 将步骤(2)所得的烧结前驱体和有机大分子聚合物碳源前驱体进行混合，在均匀的介质中球磨，烘干，在空气或惰性气氛下，600～900℃条件下保温2～30小时，得到成品钛酸锂粉体。

所述锂的可溶性化合物为碳酸锂、硝酸锂、草酸锂、醋酸锂、柠檬酸锂、甲酸锂、乳酸锂、氯化锂、异丙醇锂、含锂的有机醇、酸、酯类化合物中的一种或其组合。

所述钇的化合物为氧化钇、硝酸钇、碳酸钇、醋酸钇、氯化钇中的一种或其组合。

所述的有机小分子碳源前驱体为活性炭、乙炔黑、石墨、葡萄糖、尿素、蔗糖、草酸、柠檬酸、葡萄糖酸、酒石酸、月桂酸、乙二胺四乙酸中的一种或其组合；所述的有机小分子碳源前驱体的分子量为60～800，添加量为最终生成的产物含碳量的2～5wt%。