[发明专利]一种碳/钛酸锂复合材料及其制备方法

说明书

本发明方法公开了一种碳/钛酸锂复合材料，具有核壳结构，以碳球为核，以钛酸锂为壳；碳球的直径为100～500nm；钛酸锂壳层厚度为60～70nm，由直径为30～40nm的钛酸锂一次纳米颗粒组装而成。制备方法包括：步骤1：将碳源与去离子水混合，经水热反应得到碳球；步骤2：将步骤1制备的碳球与锂源、钛源与无水乙醇混合，经溶剂热反应制备得到中间产物；步骤3：将步骤2制备的中间产物进行煅烧处理得到钛酸锂复合材料。本发明公开了一种碳/钛酸锂复合材料及其制备方法，该复合材料结构新颖，电化学性能优异；制备方法简单，且无需额外加入结构导向剂。

技术领域

本发明涉及钛酸锂的技术领域，尤其涉及一种碳/钛酸锂复合材料及其制备方法。

背景技术

随着能源与环境问题的日益加重，发展新型绿色能源成为当前科研人员的工作重点。锂离子电池由于具有寿命长，耐高温，容量大，无记忆效应等优点，在电子设备，电动汽车等领域有着广泛的应用。现阶段主流的石墨负极体系，受制于负极材料的结构和自身特性，脱嵌锂过程较慢，而且易产生锂枝晶，导致在快充、快放等高功率场景的应用上能力有限并存在安全隐患。

尖晶石型钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)具有在锂离子嵌入/脱出过程中零应变，电极电位高(1.55V vs Li+/Li)不易生成SEI膜，安全性好，成本低等优势，因此成为了当前锂离子电池负极材料的研究重点。然而，钛酸锂材料具有导电性差，锂离子扩散系数较低等缺点。这些缺点严重影响了钛酸锂的倍率性能，也限制了其在商业上的应用。

申请公布号为CN 107808954 A的中国专利文献中公开了一种钛酸锂包覆硬碳复合材料及其制备方法，该复合材料包括硬碳，包覆在硬碳表面的钛酸锂层，以及包覆在钛酸锂表面的碳层。制备方法包括步骤：S1：以含Ti化合物为原料，加入过氧化物和弱碱；S2：一边搅拌S1的混合物一边加入硬碳；S3：按去离子水与酒精体积比为1:0.5～5预混成混合溶液，然后加入S2的混合物中，使含Ti化合物水解完全；S4：在S3的水解物中加入锂源，反应得到钛酸锂纳米球；S5：在S4的反应物中加入结构导向剂，得到钛酸锂/硬碳前驱体；S6：将钛酸锂/硬碳前驱体烘干、高温退火烧结制得钛酸锂包覆硬碳复合材料。该工艺制备得到的复合材料中，硬碳呈块状，粒径在微米级；硬碳表面包覆的钛酸锂纳米球的尺寸也较大；导致电化学性能仍有待提高。此外，该制备工艺中还必须加入结构导向剂，否则会导致钛酸锂未能成球，直接呈颗粒状外延生长在硬碳表面。

发明内容

针对上述问题，本发明公开了一种碳/钛酸锂复合材料及其制备方法，该复合材料结构新颖，电化学性能优异；制备方法简单，且无需额外加入结构导向剂。

具体技术方案如下：

一种碳/钛酸锂复合材料，具有核壳结构，以碳球为核，以钛酸锂为壳；

所述碳球的直径为100～500nm；

所述钛酸锂壳层厚度为60～70nm，由直径为30～40nm的钛酸锂一次纳米颗粒组装而成。

所述钛酸锂为Li₄Ti₅O₁₂。

本发明公开了一种结构新颖的碳/钛酸锂复合材料，为用钛酸锂包覆碳球的核壳结构材料。一方面，作为核的碳球可以如集流体一般促进电子在钛酸锂之间的转移，提升材料的导电性，碳球的直径适当(约为400～500nm)，可以保证钛酸锂壳层的包覆紧密而完整；另一方面将钛酸锂包裹在碳球表面可以阻止钛酸锂纳米颗粒的团聚，同时较小的钛酸锂一次纳米颗粒(直径为30～40nm)可以增加钛酸锂与电解液间的接触面积，缩短锂离子的扩散距离，有利于锂离子在材料内的快速嵌入与脱出，减小材料的极化，提升材料的电化学性能。

本发明还公开了所述的碳/钛酸锂复合材料的制备方法，包括：

步骤1：将碳源与去离子水混合，经水热反应得到碳球；