[发明专利]一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供了一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用，属于锂离子电池材料技术领域。本发明提供的锂离子电池负极材料的微观形貌为手风琴形状的多片层体，片层表面有规则分布的立方晶型的Ti‑Nb‑O。本发明在碳化钛中引入铌元素，并在掺入铌的碳化钛中引入氧元素，可以明显提升锂离子负极材料的比容量。本发明还提供了上述技术方案所述的锂离子电池负极材料的制备方法，本发明的制备方法能够成功制备得到形貌为手风琴形状的多片层体的锂离子电池负极材料，且该制备方法简单。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料技术领域，尤其涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用。

背景技术

能源和环境危机促使人们加速开发以太阳能、风能、潮汐能等为代表的绿色能源，然而它们都属于间歇性能源，需要与储能装置配合使用。锂离子电池由于具有高能量密度、高功率密度、高输出电压、无记忆效应等特而被广泛地用于消费电子、动力储能和大型电网，其中动力储能领域对能量密度的要求尤为突出。现有的锂离子电池的储锂机制大致分为三类。

嵌入型储锂机制：以石墨为代表的嵌入型负极材料于1970年应用于商业锂离子电池。石墨由于自身导电性优异、循环性能稳定、价格低廉而备受青睐。在充放电过程中，锂离子可以在其结构中轻易的插入、脱插；但是六个碳原子才能存储一个锂原子形成LiC₆，其理论比容量仅有372mAh·g^-1，逐渐不能满足人们的使用需求，目前许多研究致力于开发高比容量的负极材料。

合金化型储锂机制：以硅、锡为代表的合金化型负极材料可以与锂离子在较低的电位下发生合金化反应。一个硅、锡原子可以与4.4个锂原子形成Li_4.4Si(理论比容量4200mAh·g^-1)、Li_4.4Sn(理论比容量990mAh·g^-1)而具有极高的比容量，但这也意味着锂离子插入与脱插的过程会在材料内部产生巨大的应力，在循环过程中活性物质会粉体化进而从集流体上脱落，导致电极材料比容量迅速衰减不具备稳定的循环性能。

转化型储锂机制：以MaXb(M＝过渡金属，X＝O，S，F，P，N)为代表的过渡金属化合物可与锂离子发生转化反应，生成包裹金属纳米颗粒的LiyX基体，这类将高价过渡金属还原为金属态的过程一般由大量锂离子参与，具有较高的比容量(700mAh·g^-1～1300mAh·g^-1)以及较低的嵌锂电位，对应的反应方程为：

其中TM代表钴、铁、镍、铜等过渡金属元素。这种转化型负极材料由于较高的比容量被认为是富有前景的新一代锂离子电池负极材料的有力候选者。然而，与合金化型负极材料类似的是充放电过程中巨大的体积变化破坏自身结构，导致活性物质从集流体上脱落。并且自身较低的电导率、严重的团聚现象使其在实际应用中仍存在巨大的挑战。

因此，提供一种高库仑效率以及电化学锂化/脱锂过程中的高可逆性的锂离子电池负极材料备受关注。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用，本发明提供的锂离子负极材料具有高库仑效率以及电化学锂化/脱锂过程中的高可逆性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料的微观形貌为手风琴形状的多片层体，片层表面有规则分布的立方晶型的Ti-Nb-O。

本发明还提供了上述技术方案所述的锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

将钛粉、铌粉、铝粉和碳粉混合，依次经预压成型、放电等离子体烧结，得到铌掺杂Ti₃AlC₂；所述钛粉、铝粉和碳粉的摩尔比为3：1：2；