[发明专利]一种碳包覆钬掺杂钛酸锂复合负极材料的制备方法

说明书

所属技术领域

本发明涉一种碳包覆钬掺杂钛酸锂复合负极材料的制备方法。

背景技术

当今世界，石油资源日渐紧张，环境污染日趋严重，迫使各国努力寻找可持续发展的新型能源。随着航空航天、国防军工、交通运输、电子信息和仪器仪表，尤其是电动汽车等实际应用对高功率密度、宽温度范围储能体系的需求日趋迫切，以锂离子电池、超级电容器或者超级电容电池为代表的绿色环保储能器件已成为当前关注的焦点。电极材料的性能和制备工艺很大程度上决定着储能器件的性能，所以电池材料的研究尤为重要。

锂离子电池具有高能量密度、高工作电压、无记忆效应等优点，有望成为电动汽车的主要动力来源之一。目前，石墨类碳负极材料虽已成功地应用于锂离子电池中，但由于碳电极的电位与金属锂的电位很接近，易析出金属锂形成枝晶，存在安全隐患；同时锂离子反复嵌入和脱出，材料结构会受到破坏导致容量衰减。具有尖晶石结构的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)被认为是最有应用前景的负极材料之一。在锂离子嵌入和脱除过程中，尖晶石结构钛酸锂晶胞体积基本不变，因而被称为“零应变”材料。尖晶石结构钛酸锂作为新一代的锂电池负极，结构与物化性质稳定，不与电解液反应，循环性能好。由于它结构的稳定性，成为安全及长寿命锂离子电池负极材料；尖晶石Li₄Ti₅O₁₂在常温下的化学扩散系数为2×10^-8cm²/s，比碳负极材料大1个数量级，充放电速度更快。但作为锂离子电池负极材料，钛酸锂的固有电导率为10^-9S/cm，属于典型的绝缘体，导电性差，大电流放电性能差。

发明内容

为克服上述不足，本发明提供一种碳包覆钬掺杂钛酸锂复合负极材料的制备方法，使用该方法制备的负极材料，具有较高容量和良好的导电性能及循环稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供的一种碳包覆钬掺杂钛酸锂复合负极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备包覆用碳粒子

作为油相成分，将100重量份的单体二乙烯基苯、100-150重量份的中空剂正戊烷、5-10重量份的纳米硅粉、7-10重量份的丙酮分散剂进行混合，超声波分散后，进而添加有机过氧化物作为聚合引发剂，制成单体混合物，另外，作为水相成分，将500重量份的去离子水、10-20重量份的作为分散剂的聚丙烯醇进行混合；

将得到的油相成分和水相成分混合，用超声波分散，制成悬浮液，将得到的悬浮液在氦气流下、温度90-95℃下搅拌、保持8-10h，将聚合而得的粒子清洗，干燥，得到树脂粒子，将得到的树脂粒子在空气氛围下、温度400-450℃下热处理1-2h，在氦气气氛下、温度1200-1350℃下烧结4-5h，得到包覆用碳粒子；

(2)制备碳包覆钬掺杂钛酸锂前躯体

选用碳酸氢锂、二氧化钛和氧化钬为原料，其中碳酸氢锂和二氧化钛的摩尔比为0.805-0.82∶1，氧化钬占三种原料总重的0.5-1.5wt％，将三种原料混合后，加入占上述三种原料总重3-5wt％的上述包覆用碳粒子，加入丙酮分散剂，在球磨机上以转速300-400r/min球磨8-10h，真空干燥后得碳包覆钬掺杂钛酸锂前躯体；

(3)烧结

将干燥后得碳包覆钬掺杂钛酸锂前躯体在氦气气氛下烧结，以5-10℃/min速率升温，在温度800-900℃恒温烧结10-15h，以10-15℃/min降温，制备得到产品。

本发明制备的锂离子电池用碳包覆钬掺杂钛酸锂复合负极材料，先通过钬对钛酸锂进行掺杂以改善钛酸锂的导电性能，然后通过特定工艺制备的具有中空结构的碳粒子进行包覆，进一步改善其导电性和循环稳定性。因此该复合材料在用于锂离子电池时，具有较快的充放电速率和较长的使用寿命。

具体实施方式

实施例一

作为油相成分，将100重量份的单体二乙烯基苯、100-150重量份的中空剂正戊烷、5-10重量份的纳米硅粉、7-10重量份的丙酮分散剂进行混合，超声波分散后，进而添加有机过氧化物作为聚合引发剂，制成单体混合物，另外，作为水相成分，将500重量份的去离子水、10-20重量份的作为分散剂的聚丙烯醇进行混合。