[发明专利]一种钛酸锂负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，特别涉及一种钛酸锂负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池以其快速充放电、低温性能好、比能量大、自放电率小、体积小、重量轻等优势，自其诞生以来，便给储能领域带来了革命性的变化，被广泛应用于各种便携式电子设备和电动汽车中。然而随着人们生活水平的提高，更高的用户体验对锂离子电池提出了更高的要求：更加快速的充放电(比如5C甚至10C)、更广阔的温度范围(比如零下三十摄氏度)内使用等；为了解决上述问题必须寻找新的性能更加优异的电极材料。

目前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨，但因其充放电速度慢(一般充放电速度在1C以内)，且低温性能较差(使用温度一般在-10℃以上)，已不能满足用户的迫切需求；因此，更高充放电速度、更宽温度范围内使用的负极材料的开发迫在眉睫。作为锂离子电池负极材料，钛酸锂一直备受关注：其充放电速度可以在10C以上，且-30℃时仍然能够发挥出较为理想的容量，因此是新一代快充负极材料的最优选择之一。

但是由于钛酸锂材料颗粒本身导电性能差、组装成电池后电池的内阻较大，且在充放电过程中，容易产生气体从而影响电池的使用，限制了其更广泛的应用。为了解决上述问题，现有技术主要有钛酸锂颗粒纳米化、或者在钛酸锂负极材料表面进行包覆，在稳定材料结构的同时，还能阻隔钛酸锂材料与电解液直接接触，避免电池在循环过程中产生大量气体；从而在改善电池循环性能的同时，解决钛酸锂电池产气问题。

由于石墨烯材料具有独特的柔性二维平面结构，其本身是一种优良的包覆材料，可以包覆于钛酸锂负极材料表面。但是石墨烯片层之间通常结合力较弱，因此石墨烯片层构成的包覆层无法提供足够大的包覆作用力，以用于克服钛酸锂负极材料在制备电芯过程中及电芯在后续的使用过程中的破坏作用，从而导致包覆层脱落，无法起到保护核结构的作用。

有鉴于此，确有必要提出一种钛酸锂负极材料及其制备方法，既可发挥出石墨烯的最大优势，又能提高石墨烯片层对核结构的包覆在作用力，从而克服钛酸锂负极材料在制备电芯过程中及电芯在后续的使用过程中的破坏作用，使得包覆层持久有效的发挥保护作用。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供的一种钛酸锂负极材料，包括核结构和壳结构，所述壳结构均匀包覆于所述核结构表面，所述核结构颗粒直径为D1，所述壳结构厚度为h1，所述壳结构中含有石墨烯，所述石墨烯片层厚度h2≤100nm，所述石墨烯片层之间存在强键合力；从而制备得到电化学性能优良的钛酸锂负极材料。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种钛酸锂负极材料，包括核结构和壳结构，所述壳结构均匀包覆于所述核结构表面，所述核结构颗粒直径为D1，0.5μm≤D1≤100μm，所述壳结构厚度为h1，10nm≤h1≤5μm，壳层过小，无法起到包覆效果，壳层过大，将阻碍离子扩散；所述壳结构中含有石墨烯，所述石墨烯片层厚度h2≤100nm，所述石墨烯片层之间存在强键合力；石墨烯片层之间强大的键合力，可以将分布于壳结构中的石墨烯片层紧密的结合在一起，从而获得结构稳定的含有石墨烯片层的壳结构，有效地保护钛酸锂材料在充电过程中核结构与电解液直接接触，发生剧烈的副反应，减少产气及改善钛酸锂材料的循环性能。

作为本发明钛酸锂负极材料的一种改进，所述核结构为一次颗粒结构或二次颗粒结构或多次颗粒结构；所述核结构中包含钛酸锂颗粒，还可以包括非钛酸锂颗粒组分，所述非钛酸锂颗粒组分包括天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、软碳、硬碳、石油焦、碳纤维、热解树脂碳、硅碳负极颗粒、合金负极材料中的至少一种。

作为本发明钛酸锂负极材料的一种改进，提供所述强键合力的键类别为氢键或/和化学键；所述石墨烯为小片层石墨烯或/和多孔石墨烯，此时形成的壳结构层，对离子再钛酸锂颗粒内外传输时阻碍作用更低，材料具有更好的电化学性能；所述小片层石墨烯片层平面直径d1，d1≤π*D1；所述多孔石墨烯两孔之间连续区域宽度为d2，d2≤π*D1；此外，所述石墨烯与所述核结构之间也可以存在强键合力，此时，所述核结构中的物质经过改性，如为官能团化的钛酸锂颗粒。

作为本发明钛酸锂负极材料的一种改进，所述包覆层中，还包含有传统包覆层或/和单体原位聚合得到的聚合物碳化组分。