[发明专利]锂离子电池负极材料、负极材料制备方法及锂离子电池

说明书

技术领域

发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种高性能锂离子电池负极材料以及该负极材料的制备方法，还涉及一种以该材料作为负极材料的锂离子电池。

背景技术

目前电子产品的频繁更新换代和化石燃料的持续枯竭，迫使人类不断开发可替代的清洁能源。锂离子电池以其高能量密度和长循环寿命，已经广泛应用于电子产品和电动汽车之中，这也对锂离子电池的安全性和快充能力提出了更高的要求。作为目前使用最广泛的负极材料的石墨具有首次库伦效率低,、易形成锂枝晶、易于电解液反应等缺点，使其具有较大的安全隐患。而作为另一类负极材料的钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）是一种“零应变”材料，在锂离子脱嵌和嵌入过程中其晶格不发生相应的收缩和膨胀，所以材料结构非常稳定，能够有效避免锂枝晶引发的安全问题，且具有超长的循环寿命，是目前商业化负极材料中安全性最好，充电速度最快的电极材料。然而钛酸锂也具有电子电导率低和离子电导率低的本质缺陷，极大地限制了钛酸锂的电化学性能及其应用。

现有技术中解决钛酸锂上述两个本质缺陷的技术手段一般包括以下两种途径：其一，通过碳基材料和杂原子的引入提高其电子电导率；其二，设计各种纳米结构改善增大电解液与钛酸锂的接触面积来缩短锂离子的传输路径。但这两种方式都有明显的缺点：碳基材料和杂原子的引入会使用费时的水热反应或危险的气相沉积，且难以保证碳基材料包覆的均一性，而杂原子掺杂一般比较耗时，且掺杂效率低下；纳米结构的设计过程复杂、成本高，也会降低钛酸锂材料的振实密度，所以只适合于小规模的生产。

为解决上述问题，许多企业及研究机构对此进行了深入探讨，并提出了许多解决的技术方案，如申请号为201310127256.4名为《锂离子电池负极材料的制备方法》的中国专利中，提供了一种钛酸锂的制备方法，其技术路线为：提供钛酸四丁酯溶液以及氢氧化锂的水溶液→混合两者水溶液，使其反应得到沉淀物即前驱材料→煅烧该混合沉淀物，使该混合沉淀物反应生成钛酸锂。该方案尽管能够在较低温度下合成钛酸锂，但是无法对碳酸锂的品质进行进一步地改善。申请号为201510971408.8名为《一种高性能共掺杂钛酸锂电极材料的制备方法》的中国专利中提供了一种同样利用锂源、二氧化钛和掺杂金属离子制成的前驱物通过煅烧、固相混合的方法制成掺杂钛酸锂电极材料，该方法仍旧无法克服包覆和掺杂过程中缺少均一性、效率低的问题。

发明内容

为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种新型以钛酸锂为基础的氮掺杂、碳修饰的锂离子电池负极材料，该负极材料粒度小且均匀，由其作为负极材料制成的锂离子电池首次充放电容量大，多次循环充放电之后容量保持率高，且其制备工艺简单、对设备要求低，适合大规模化的工业生产。

本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：

本发明中提供的锂离子电池负极材料为氮掺杂碳修饰钛酸锂，所述钛酸锂粒度范围为0.1-2μm，其碳含量为5-8wt%，氮含量为0.1-1.2%。

本发明中还提供一种制备上述锂离子负极材料的方法，包括如下步骤：

S01：取锂源和三聚氰胺混合，两者摩尔比为Li：三聚氰胺=1:（30-80），搅拌或者球磨至均匀；

S02：向S01中的产物以Li：Ti=（4.0-4.1）：5的摩尔比加入钛酸四丁酯，搅拌至混合物为均一胶状；

S03：边搅拌S02中的胶状混合物边滴加水，直至全部胶状物重新形成粉末状；

S04：将S03中的产物置入高温炉中进行煅烧，最终煅烧炉温为750-850℃，煅烧时间为4-10小时。

进一步地，S01中，搅拌或者球磨过程中同时添加低分子醇或者丙酮。

进一步地，S01中，锂源为碳酸锂、氢氧化锂、醋酸锂、硫酸锂中的一种。

进一步地，S01中，Li：三聚氰胺=1:（65-66）。

进一步地，S04中，煅烧过程的升温步骤为：室温下，以5-6℃/min升温至300-320℃，保温1-2小时，再以5-6℃/min升温至500-580℃，保温1-2小时，再以1-3℃/min升温至750-850℃，保温2-6小时。优选地，S04中，煅烧过程的升温步骤为：室温下，以5℃/min升温至300℃，保温1小时，再以5℃/min升温至520℃，保温2小时，再以2℃/min升温至750-850℃，保温2-6小时。

本发明中还提供一种以上述材料作为负极材料的锂离子电池。