[发明专利]一种钛酸锂包覆铝的锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池材料及其制备方法，特别涉及钛酸锂包覆铝复合材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用。现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5～2倍，而且具有很低的自放电率、不含有毒物质等优点是它广泛应用的重要原因。

负极材料的选择对电池的性能有很大的影响。目前锂电池负极研究开发工作主要集中在碳材料和具有特殊结构的金属氧化物。最常用的是石墨电极，因为石墨导电性好，结晶度较高，具有良好的层状结构，适合锂的嵌入-脱嵌。但由于碳材料在第一次充放电时，会在碳表面形成一层固体电解质中间相（SEI）即钝化膜，造成部分不可逆容量损失；而且碳的电极电位与锂的电位很接近，充电时金属锂可能在碳电极表面析出，形成枝晶而引发安全问题。而钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）纳米管作为锂离子电池负极材料时不存在上述问题，并且材料在充放电过程中由于结构变化小、极化程度低等优点，而具有很好的循环性能、可逆性和安全性能。钛酸锂纳米管相对金属锂的电极电位较低，可作为锂离子电池负极，与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成2.4 V或1.9V的锂离子二次电池。此外，它还可以用作正极，与金属锂或锂合金负极组成1.5 V的锂二次电池。钛酸锂锂离子电池具有高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点，但比容量较小。

金属铝可以和锂形成高达Li₉Al₄的合金，对比Li_4.4Sn（994 mAh g^-1），Li₉Al₄具有很高的理论比容量（2234 mAh g^-1）。在锂离子嵌入和脱出的过程中，铝负极的放电和充电曲线分别在0.2和0.45 V左右呈现出稳定的嵌、脱锂平台，这一特点对于寻求高比容量的负极材料而言极具吸引力。因此，铝基材料是一种很有发展前景的锂离子电池负极材料。目前，金属铝负极材料所面临的主要问题是：在充放电循环过程中，Li-Al合金的可逆生成与分解伴随着更大的体积变化，导致合金更易产生裂缝与粉化，使接触电阻增大，形成不可逆容量损失，甚至失去可逆储锂作用，最后导致电极失效，因此单纯以铝为负极材料的锂离子电池循环性能很差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种钛酸锂包覆铝的锂离子电池负极材料的制备方法。该方法不形成固体电解质中间相（SEI）即钝化膜，具有优异安全性、可靠性。

为解决技术问题，本发明的解决方案为：

提供一种钛酸锂包覆铝的锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1） 在90毫升乙醇中依次加入10克乙酸和15克的钛酸四丁酯，超声波分散40分钟，形成A溶液；将15克乙酸加至20毫升乙醇中，再加入10毫升去离子水和2.6克的乙酸锂，形成B溶液；将A溶液于30℃恒温磁力搅拌30分钟后，将B溶液逐滴加入到A溶液中，得到钛酸锂溶胶； 

（2）将步骤（1）中所得钛酸锂溶胶置于容积为200毫升的水热反应釜中，加入粒径为1～10微米的球形铝粉5～50 g，搅拌10分钟后密封反应釜；将反应釜置于油浴中，100～300℃下磁力搅拌反应2~10小时之后将反应釜取出；待反应釜冷却至室温后，打开反应釜，取出并过滤产物，离心分离，经水和乙醇分别进行三次“离心、洗涤、再分散”过程进行洗涤；40℃真空干燥后得到钛酸锂-铝复合材料前驱体；

（3）将钛酸锂-铝复合材料前驱体置于马弗炉中，氮气氛保护下设定煅烧温度为500℃，升温速率设定为4℃ min^-1，达到设定温度后保温5小时，得到钛酸锂包覆铝复合材料，即钛酸锂包覆铝的锂离子电池负极材料。

本发明中，步骤（2）水热法合成的钛酸锂-铝复合材料前驱体也可以用喷雾干燥法来制备：在150 mL步骤（1）中所得钛酸锂溶胶中加入粒径为1～10微米的球形铝粉20 g搅拌10分钟，导入喷雾干燥器，通过机械作用将溶胶分散成很细的像雾一样的微粒，与热空气接触后瞬间将大部分水分除去，形成钛酸锂-铝复合材料前驱体。