[发明专利]一种锂离子电池负极用黑色钛酸锂材料及其制备方法以及应用

说明书

本发明提供了一种锂离子电池负极用黑色钛酸锂材料的制备方法，包括以下步骤：将NaBH₄和CaH₂中的一种与白色Li₄Ti₅O₁₂粉末混合研磨，得到混合粉末；在保护性气氛条件下，将所述混合粉末进行煅烧，得到黑色钛酸锂。本发明使用引入晶格氧空位的策略，对Li₄Ti₅O₁₂材料电导性质进行改性的简便方法。通过这种方法，获得了缺陷态的黑色Li₄Ti₅O₁₂材料，在保证晶格完整度的前提下，不引入杂质元素，有效提升了材料的电导率，降低了电池的内阻值，该黑色Li₄Ti₅O₁₂材料在大倍率充放电条件下显示出比传统白色Li₄Ti₅O₁₂更高的比容量和更好的循环性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池负极用黑色钛酸锂材料及其制备方法以及应用。

背景技术

随着新兴电子设备的快速更新与发展，二次电池技术引起了世界范围内的极大的关注。其中，锂离子电池(LIB)具有高能量密度和出色的循环稳定性，已成为下一代最具潜力的电池之一。电极材料是电池的重要元素，包括正极和负极材料。其中石墨是最适用的负极材料，但是，尽管它具有较高的比容量，但仍存在许多问题。例如，石墨具有三个低锂嵌入平台(相对于Li⁺/Li的电位分别为0.08、0.12和0.20V)，这与锂沉积的电势非常接近，因而随着电池充放电循环的进行，Li⁺可能会沉积在石墨上，最终会导致“锂枝晶”的形成，这有可能刺穿隔膜而产生安全隐患。而且，较低的初始库仑效率会极大地消耗来自阴极的大量Li⁺，降低电池的循环性能。此外，与酯类电解液的热反应性活性高，难以在大倍率或低温下工作的缺点也阻碍了石墨类电极材料广泛的应用。

具有约1.55V(vs Li⁺/Li)的平坦工作电压的尖晶石型锂钛氧化物(即Li₄Ti₅O₁₂)是锂离子电池最受欢迎的负极材料之一。它比石墨更安全，其优异的热稳定性、循环稳定性以及在Li⁺嵌入/嵌出过程中结构变化可忽略不计而被称为“零应变”材料，成为理想的高安全性锂离子电池负极材料，受到了世界范围内的广泛研究，被认为是理想的碳基负极材料替代品，特别是对于高功率要求的电池。然而Li₄Ti₅O₁₂也有其致命的缺点：电导性差。这一缺点造成Li⁺扩散系数低，降低了Li₄Ti₅O₁₂的电化学性能，限制了其实际应用。近年来，对Li₄Ti₅O₁₂的电化学性能进行了一些改进，改善电导率的最常用的修饰手段包括通过阳离子或阴离子杂质的掺入，表面碳包覆改性和构造3D骨架结构等。改性后的Li₄Ti₅O₁₂可以与LiMnO₂、或LiFePO₄等正极材料组成电压为2.4V或1.9V的钛酸锂二次电池，其最大的优势是安全性高、充电速度快、循环寿命长、耐宽温性能良好。

尽管在改性Li₄Ti₅O₁₂材料来提升其在电池中的性能方面已经有一些报道了，然而这些方案在实际生产制备过程中，需要繁琐的工艺步骤，消耗各种贵重的化学原料，使得电池成本上升，价格变高，降低了市场竞争力。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种锂离子电池负极用黑色钛酸锂材料及其制备方法以及应用，本发明提供的锂离子电池负极用黑色钛酸锂材料制备方法简单，并且具有良好的电学性能。