[发明专利]一种锂离子电池负极材料的制备方法及应用

说明书

本申请提供一种锂离子电池负极材料的制备方法及应用，所述制备方法包括将不同比例的铌氧化物和钨氧化物进行混合，进行一次烧结，烧结完成后细化按比例与碳源混合，进行二次烧结，烧结后破碎得到所述锂离子电池负极材料。通过将材料进行细化和碳包覆，解决了由于使用铌钨氧材料烧结导致元素混排不够造成的电化学活性缺失的问题，有效提高了材料的倍率和能量密度，保证材料在低倍率下的高容量以及高倍率下的电池容量。

技术领域

本申请涉及二次电池技术领域，尤其涉及一种锂离子电池负极材料的制备方法、采用所述制备方法制得的锂离子电池负极材料以及应用所述锂离子电池负极材料的电化学电池。

背景技术

目前商业化的锂离子电池多使用石墨碳和钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)作为负极材料。石墨具有高理论容量(372mAh g^-1)、长循环寿命和低成本等优点，然而，由于它的工作电位很低，在大倍率充放电时会发生晶体粉化、锂枝晶生长的问题，这一问题会导致电池的安全性受到很大的影响。钛酸锂材料具有安全的工作电位，良好的循环性能，但是其较高的电压(1.5V)和较低的理论比容量(175mAh/g)限制了全电池的能量密度。

铌钨氧材料作为一种新型的高倍率负极材料，其具有比钛酸锂更高的比容量，同时具有优异的倍率性能(铌钨氧材料在0.1C容量下要高于钛酸锂材料约40％)，因而被认为是可能取代现有石墨碳和钛酸锂材料的产品。然而，铌钨氧材料的性能受到基于固相合成中铌元素和钨元素的排布不均一的影响，目前现有商用材料固相烧结很难获得良好的性能。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种锂离子电池负极材料的制备方法以合成出含有铌、钨、氧的负极材料，该负极材料具有良好的倍率性能、高容量、高电导率以及高稳定性的特点。

为了达到上述目的，本申请提供的所述制备方法包括以下步骤：

将铌氧化物与钨氧化物混合，得到铌钨氧混合物；

将所述铌钨氧混合物进行一次烧结，一次烧结后进行砂磨细化，得到晶状铌钨氧材料；

将所述晶状铌钨氧材料和碳源加入到去离子水中，进行砂磨细化得到样品；

将所述样品进行喷雾干燥，得到喷雾干燥料；

将所述喷雾干燥料在惰性气氛下进行二次烧结，二次烧结后破碎过筛，得到碳包覆的所述锂离子电池负极材料。

一种实施方式中，所述碳源包括葡萄糖酸内酯、葡萄糖酸和葡萄糖中的一种或多种。通过使用葡萄糖酸内酯、葡萄糖酸或者葡萄糖，可以在铌钨氧材料中引入更多的氧原子，降低碳对于铌钨氧材料的还原能力，以确保铌钨氧材料本身结构不发生变化；同时，引入的C-O键可以提高铌钨氧材料与碳之间的键合。

一种实施方式中，所述晶状铌钨氧材料包括Wadsley-ReO3晶型和四面体钨青铜晶型中的至少一种，所述晶状铌钨氧材料与所述碳源中的碳的摩尔比为1:0.01-0.05。Wadsley-ReO3型晶体具有层状阶梯的亚结构，其中每个层状结构的长宽为3-6个金属原子构筑成的八面体顶点相连的大小，层和层之间通过点对点或者边对边的方式连接；四面体钨青铜晶型的特点为四方晶系的晶体，晶体对称性为Pbam，其中金属原子在晶体结构中呈现无序混排的情况。碳源的引入，一方面可以提高材料的电导率；另一方面碳和晶状铌钨氧材料可发生相互作用，以减少在循环过程中晶体的开裂现象，解决材料由于磨砂细化后稳定性下降的问题。

一种实施方式中，砂磨细化后得到的所述晶状铌钨氧材料的粒度中值D₅₀为1μm以下；砂磨细化后得到的所述样品的粒度中值D₅₀为10-100nm。通过砂磨细化，提高了负极材料的表面积，以解决由于混排不良造成的容量缺失和倍率下降的问题。