[发明专利]一种Nb掺杂的Li4Ti5O12纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子二次电负极材料Nb掺杂的Li₄Ti₅O₁₂电极材料的制备方法，特别是采用了目前应用较少，却简单有效的非水解溶胶凝胶法。

背景技术

目前，锂离子电池占据了可充电池的最大市场份额，被广泛应用于手机、笔记本电脑、MP3等民用便携式电子设备，近年来，人们也逐渐将其应用于动力设备，锂离子电池与石油的混合动力汽车也已进入市场。市售的锂离子电池所采用的负极材料多为碳材料，但它存在一个致命的问题，即当电池快充或过充时，电极材料表面可能会析出金属锂，并形成枝晶造成短路，这不仅会降低产品使用寿命，同时也存在安全隐患。随着锂离子电池市场的迅速增大，迫切需要安全性能更好的新型负极材料。而尖晶石Li₄Ti₅O₁₂便因其零应变性、高安全性开始受到广泛关注。

Li₄Ti₅O₁₂具有缺陷型尖晶石结构，这种特殊结构决定了在嵌锂和脱锂过程中，其晶格常数和体积变化均不超过1％，因而其寿命长，性能稳定且更安全。Li₄Ti₅O₁₂相对锂电极的电位约为1.55V，放电平台平缓，理论比容量为175mAh/g，并且由于其可逆脱锂比例接近100％，因而，实验所得的实际容量与理论容量较为接近，基本能够达到160mAh/g以上。但是尖晶石Li₄Ti₅O₁₂用作锂离子电池的负极材料存在一个难题——由于Li₄Ti₅O₁₂是一种固有电导率仅为10^-9S/cm的绝缘材料，因此导电性极差，导致在高倍率放电条件下，电子容易富集，产生电极极化进而限制锂离子的嵌入和脱出，最终影响电池的性能。为了解决这个难题，有两个改进途径：一是通过减小Li₄Ti₅O₁₂颗粒尺寸或者引入导电物质实现电导率的提升；二是通过掺杂的方法提高Li₄Ti₅O₁₂的固有导电性。

发明内容

本发明的目的在于突破传统的溶胶凝胶法中原料易水解、添加剂复杂等缺点，采用非水解溶胶凝胶法制备Nb掺杂的钛酸锂负极材料的方法，有效的提高了Li₄Ti₅O₁₂的性能，此法制备的Nb掺杂钛酸锂负极材料显示出优异的倍率性能和循环性能。

为达到上述预期目的，本发明采用如下技术方案：

一种锂离子二次电池负极材料Nb掺杂纳米钛酸锂的制备方法，该方法通过非水解溶胶凝胶法，得到Li₄Ti₅O₁₂负极材料。该工艺包括如下步骤：

a.将乙醇作为溶剂加入到回流设备中；

b.将氯化锂、氯化铌和钛的化合物，按照Li:Nb:Ti＝(0.8～0.9):(0.002～0.02):(0.98～0.998)的摩尔比依次加入到步骤a的溶剂中，搭好设备，常温下磁力搅拌，至溶液澄清，而后继续搅拌20分钟以上；

c.将步骤b中的溶液先在70～80℃下进行加热，至回流开始，而后将温度调为100～120℃，回流24h以上，至凝胶形成，结束回流，冷却后取出凝胶；

d.将步骤c中的凝胶烘干，除去溶剂，得到黑色的Nb掺杂的钛酸锂前驱体；

e.将步骤d制得的Nb掺杂钛酸锂前驱体放入马弗炉中煅烧，得到Nb掺杂的Li₄Ti₅O₁₂负极材料。

优选地，步骤b中，所述钛的化合物与乙醇的体积比为钛化合物：醇＝1:10～15。

优选地，步骤b中，所述钛的化合物是钛酸四正丁酯、钛酸四异丙酯和钛酸四乙酯中的一种或组合。

优选地，步骤b中，继续搅拌的时间为20～40分钟。

优选地，步骤c中，回流时间为24～36h。

优选地，步骤d中，所述烘干，温度为200～250℃。

优选地，步骤e中，所述煅烧，温度为650～750℃。