[发明专利]一种锂离子电池Si/Li4Ti5O12/CNT复合负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学电源领域，具体地，本发明涉及锂离子电池负极材料领域。

背景技术

锂离子电池与传统的二次电池相比具有开路电压高、能量密度大、使用寿命长、无记忆效应、无污染和自放电小等优点，应用越来越广泛。由于便携式电子设备和电动汽车的快速发展和广泛应用，对于高比能量、长循环寿命、快速充放电的锂离子电池的需求十分迫切。目前商用的锂离子电池负极材料为碳类负极材料，但它的理论容量仅为372mAh/g，并且已开发接近理论值。已不能适应目前各种便携式电子设备的小型化发展和电动汽车对大容量高功率化学电源的广泛需求。

因此，大量的研究已转向寻找可以替代碳材料的新型负极材料体系，其中硅是理想的候选材料。硅具有很多优点：地球上储量丰富、成本较低、对环境无害；硅和锂能形成合金，具有4种相态：Li₁₂Si₇、Li₁₃Si₄、Li₇Si₃和Li₂₂Si₅；硅具有较高的理论比容量（Li₂₂Si₅：4200mAh/g）和较低的嵌锂电位（vs Li⁺/Li），因而是一种非常有发展前途的锂离子电池负极材料。然而在充放电过程中，硅的脱嵌锂反应伴随310%的体积变化，易引起电极开裂和活性物质脱落，从而导致电极循环性能恶化。解决这个问题的思路之一是合成硅基复合物，缓冲电极的体积膨胀，提高电极的循环稳定性。

Li₄Ti₅O₁₂（LTO）具有零应变特性循环性能好、嵌锂电位高而不易引起金属锂析出、安全性能好、抗过充等优点，是目前最具开发和应用潜力的新一代锂离子电池负极材料之一。但材料本身电导率低，严重影响了材料的高倍性能。

碳纳米管（CNTs）因具有特殊的一维结构，高的导电率以及良好的电化学稳定性等特点，自Iijima发现以来就被认为是理想的电极材料，但其本身容量不高，限制了其应用。

CN 101841017A公开了一种钛酸锂/碳/碳纳米管复合电极材料及其制备方法。所述复合电极材料由钛酸锂、包覆碳以及碳纳米管组成，它们的质量百分比为90~97:0~5:3~5。所述的制备方法以含锂化合物、锐钛矿二氧化钛以及碳纳米管为原料，通过湿化学方法首先制备得到钛酸锂/碳纳米管复合物，然后采用有机物对所制得的钛酸锂/碳纳米管复合物进行包裹，最后经过惰性气氛下热处理获得钛酸锂/碳/碳纳米管复合电极材料。但是该电极材料在倍率性能方面不能满足实际需要。

CN 101232094A公开了一种锂离子电池负极活性物质，包含有第一活性物质A和第二活性物质B，第一活性物质A是钛酸锂，具有如下结构式：Li_1+xTi_2-xO₄，0≤x≤1/3，第二活性物质B是除去钛酸锂外的其它能掺入/脱出锂的活性物质，第二活性物质B包括炭素材料或合金材料，所述炭素材料包括从高温炭，焦炭，石墨，碳纤维，碳纳米管，碳凝胶，活性碳，中间相碳微球；所述合金包括Si基合金或Sn基合金。第一活性物质A和第二活性物质B质量混合比A/(A+B)为0.05-0.5之间。该电池材料抗过放电性能优良，但是其倍率性能不理想。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种新型的锂离子电池复合负极材料。所述锂离子电池复合负极材料包括由钛酸锂包覆纳米硅构成的复合颗粒和复合在该复合颗粒表面的碳纳米管。

优选地，所述复合颗粒为微米级，例如0.1~100微米。

优选地，所述锂离子电池复合负极材料中纳米硅含量为20~70wt%，例如：21wt%、22wt%、25wt%、29wt%、31wt%、35wt%、39wt%、41wt%、45wt%、50wt%、55wt%、59wt%、61wt%、64wt%、66wt%、68wt%、69wt%等，进一步优选为30~65wt%，特别优选为40~60wt%。

优选地，所述锂离子电池复合负极材料中钛酸锂含量为20~70wt%，例如：21wt%、22wt%、24wt%、26wt%、29wt%、31wt%、35wt%、40wt%、45wt%、49wt%、51wt%、59wt%、61wt%、64wt%、66wt%、68wt%、69wt%等，进一步优选为25~60wt%，特别优选为30~50wt%。