[发明专利]硅基/钛酸锂复合材料、其制备方法及电池

说明书

本发明提供了一种硅基/钛酸锂复合材料、其制备方法及电池。该制备方法包括：以钛源、锂源和硅源为原料进行煅烧，得到硅基/钛酸锂复合材料，其中钛源选自锐钛型二氧化钛、锐钛型二氧化钛水合物硅粉和氧化亚硅中的一种或多种，锂源选自氢氧化锂或碳酸锂，硅源为硅粉或氧化亚硅，煅烧的温度为700～950℃。采用上述方法制得的硅基/钛酸锂复合材料具有结构稳定性、比容量高，工艺流程操作简便、工艺路线较短，绿色无污染，适合进行大规模的工业化生产等优点。

技术领域

本发明涉及电池制造领域，具体而言，涉及一种硅基/钛酸锂复合材料、其制备方法及电池。

背景技术

钛酸锂材料电池充放电过程中，锂离子嵌入/脱出，该过程中钛酸锂晶胞参数从8.3595埃米变化到8.3538埃米，对应的晶胞体积变化仅为0.2％，几乎可以忽略，因此被称之为零应变材料。钛酸锂的这一特点使其具有非常高的结构稳定性，为超长的循环寿命奠定了基础。

钛酸锂对锂电位为1.55V，即使在充电后期、低温或高倍率状态下，钛酸锂的电位也不会达到Li⁺还原成金属锂的电位。因此不可能析锂或形成锂枝晶。同时，电化学活性的Li₄Ti₅O₁₂与满电态Li₇Ti₅O₁₂均为不燃物，所以钛酸锂系列电池是目前世界上最安全的化学电池。

当锂离子嵌入尖晶石结构中时，形成岩盐Li₇Ti₅O₁₂，随着锂离子嵌入量的增加，绝缘体的Li₄Ti₅O₁₂转变为电子导电性良好的岩盐相类金属导体Li₇Ti₅O₁₂，无需包覆处理就能具备优良的倍率性能。钛酸锂材料尖晶石结构决定了三维的Li⁺离子扩散通道(石墨、LiCoO₂和三元材料为二维通道，LiFeO₄为一维通道)，使其具备高的锂离子扩散能力，在极低温条件下仍然可以正常的充放电。高稳定性的结构，使其在高温条件下材料性能稳定。但是钛酸锂材料的理论比容量仅为175mAh/g。

硅在作为锂离子电池负极材料时，每个原子最多可结合4.4个锂原子。其中硅原子形成Li₂₂Si₅合金，理论比容量高达4200mAh/g，且对锂电位较低。但这种材料也存在一个严重的缺点，在脱嵌循环中Si晶格和微观结构变化较大，会出现严重的体积膨胀和收缩，造成材料结构的破坏和机械粉化，进而导致材料间以及材料与集流体的分离，容量迅速衰减。

基于钛酸锂(LTO)材料具有较长的循环寿命、高安全性能、高功率及宽温域特性，但是其比容量较低，材料的理论比容量仅为175mAh/g。硅材料在充放电过程中结构不稳定，为兼具LTO材料的结构稳定性和硅基材料的高比容量，将LTO和Si/SiO进行复合，制备一种高比能量硅基/钛酸锂复合材料。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种硅基/钛酸锂复合材料、其制备方法及电池，以解决现有的电池存在无法兼具高结构稳定性和高比容量的问题。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种硅基/钛酸锂复合材料的制备方法，该制备方法包括：以钛源、锂源和硅源为原料进行煅烧，得到硅基/钛酸锂复合材料，其中钛源选自锐钛型二氧化钛、锐钛型二氧化钛水合物硅粉和氧化亚硅中的一种或多种，锂源选自氢氧化锂或碳酸锂，硅源为硅粉或氧化亚硅，煅烧的温度为700～950℃。

进一步地，锂源中锂元素和钛源中钛元素的摩尔数之比为(3.5～4.5):5，硅源的用量占硅基/钛酸锂复合材料中钛酸锂的重量百分含量为10～30％。