[发明专利]一种用于锂电的钛系负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子二次电池负极材料，尤其是涉及一种用于锂电的钛系负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子二次电池是一种高效率、高能量密度的电能存储装置，已经被广泛应用于小型可移动电子设备。与其他电池体系一样，锂离子电池主要有正极材料、负极材料、隔膜和电解液四大关键材料构成，材料的性质与锂离子电池的性能有着非常重要的关系。

目前，锂离子电池广泛使用的正极材料主要为锂离子可逆嵌入-脱嵌的过渡金属氧化物、如以钴酸锂（LiCoO₂）、三元材料（LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂）等为代表的层状金属氧化物、以锰酸锂（LiMn₂O₄）为代表的尖晶石型金属氧化物、以磷酸铁锂（LiFePO₄）为代表的橄榄石型金属氧化物等；负极材料主要为可逆地嵌入-脱嵌锂离子的化合物、如层状石墨。这些高性能材料的应用，决定了锂离子电池今天作为小型携带式通信电子设备（如手机、手提式电脑等）的电源的不可撼动地位。但随着社会的进一步发展（如电动汽车在动力源方面的要求），现有的锂离子电池体系在价格、安全性、比容量和功率性能、原材料的富足等方面都还有待提高。开发更高性能的材料和与之对应的锂离子电池极为重要。

以尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂作为代表的钛基负极材料作为一类的负极材料，由于其（以Li₄Ti₅O₁₂为例）相对于金属锂具有较高的电极电位（1.55V左右），抑制了金属锂在负极上析出，从根本上解决了锂枝晶引起的短路问题，提高了电池的安全性。但是钛酸锂由于理论容量较低175mAh/g,导电性较差，使其应用于油电混合车、大型储能电池等领域受到了极大的限制。目前具有类似尖晶石结构的Li₂MTi₃O₈（M=Zn，Co，Mg，Cu）的材料，以其较高的理论容量（约230mAh/g）,良好的电化学性能引起了人们的关注。

现有的技术中，多是以TiO₂为钛源与相应的金属氧化物和Li₂CO₃固相球磨混合后，再在高温（900～1100℃）下煅烧若干小时制得。这种方法制备的材料理化性质不均匀并且易于团聚，从而不利于其商业化生产。Z.S.Hong研究小组为了合成出具有纳米线结构的Li₂MTi₃O₈，采用TiO₂纳米线，锂源与应的金属乙酸盐的固相混合煅烧法制备（Z.S.Hong,M.D.Wei,et al.,Energy&Environmental Science,4(2011)1886；Z.S.Hong,M.D.Wei,X.K.Ding,L.L.Jiang,K.M.Wei,Electrochem.Commun.12(2010)720）。这种方法首先要制备出二氧化钛纳米线，一般需要水热法合成，其形貌难以控制。为了得到均匀的纳米颗粒，赵海雷(参见公开号为CN102723473A的中国发明专利申请公开说明书)，以硝酸锂、硝酸钴和钛酸四丁酯为原料，硝酸和氨水为pH值调节剂，采用柠檬酸自燃烧法结合热处理的方法，制备出Li₂CoTi₃O₈纳米颗粒。这种方法需要将前驱液烘干后在250℃下预烧若干h，再在高温下煅烧若干个小时就得到材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于锂电的钛系负极材料及其制备方法。

本发明的另一目的是提供一种锂离子电池负极。

所述用于锂电的钛系负极材料为Li₂MTi₃O₈，其中M为Zn，Co，Fe，Ni，Mg或Cu等。

所述用于锂电的钛系负极材料的制备方法的具体步骤如下：

配制含有钛源、锂源、M源和燃烧助剂形成的无色透明溶液，在空气气氛下卒热式煅烧，自然冷却后即得到用于锂电的钛系负极材料。

所述用于锂电的钛系负极材料为微纳结构，一次粒径可为10～200nm，其中，M为Zn时，一次粒径为10～50nm；M为Co时，一次粒径为100～150nm。