[发明专利]一种使用锂离子导体对锂离子电池电极材料进行改性的方法

说明书

本发明属于锂离子电池电极材料技术领域，具体涉及一种使用锂离子导体对金属氧化物负极材料MO_x、层状正极材料LiMO₂、碳或硅负极材料、硅碳负极材料或上述材料的复合物等锂离子电池电极材料进行改性的方法，包括步骤(1)：制备电极材料(或电极材料的前驱体)与锂离子导体(或锂离子导体前驱体)的混合物；步骤(2)：将步骤(1)制得的混合物进行热处理以制得锂离子导体改性的电极材料。改性后锂离子导体不仅分布于电极材料表面，也可嵌入其内部缝隙或孔洞中。本发明提供的方法不仅可以极大地改善电极材料的循环稳定性与倍率性能，提高材料的能量密度与功率密度，而且步骤简单、无需特殊设备与苛刻反应条件，易于产业化制备。

技术领域

本发明属于锂离子电池电极材料技术领域，具体涉及一种使用锂离子导体对锂离子电池电极材料进行改性的方法。

背景技术

可充电式的锂离子电池在便携式电子设备，诸如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等各类消费电子产品中应用广泛。近年来，随着电动汽车行业的发展，锂离子电池的应用进一步拓宽。但尽管锂离子电池的需求不断增高，但相对于电子行业的发展，锂离子电池技术的发展则相对较为缓慢。实际上，当前的便携式消费电子产品以及纯电动汽车的续航一直差强人意，亟待进一步提高，而这则有赖于锂离子电池性能的提高。

早在1972年，Exxon等人就提出使用TiS₂作为正极、金属锂作为负极，并以的高氯酸锂溶于二氧戊环作为电解液，构建了金属锂电池。但金属锂作为负极时，易引发枝晶生长，并在熔断后形成死锂。这不仅使得锂金属电池的循环稳定性差，容量保持率较低，同时存在严重的安全隐患。随后在上世纪70年代末与80年代，Murphy等人与Scrosati等人相继提出并完善了“摇椅模型”，即使用具有较低嵌锂/脱锂电位的材料作为负极，具有较高嵌锂/脱锂电位的材料作为正极，而锂离子如摇椅般在其间迁移。此后，1989年日本索尼公司首次提出以钴酸锂作正极，石油焦作负极，六氟磷酸锂溶于丙烯碳酸酯和乙烯碳酸脂作电解液，开发新型锂离子电池，并于1991年成功实现商业化。相比于传统的镍镉电池、镍氢电池等二次电池，锂离子电池具有开路电压高(＞3.6V)，能量密度大(120-150W h kg^-1)、无记忆效应和工作寿命长等优点，因此迅速取代了传统二次电池，广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等便携电子设备与军事装备(如潜艇)等领域。随着移动互联网、电动汽车和电网大规模储能等领域的发展，锂离子电池的能量密度、功率密度、循环稳定性以及安全性等越来越难以满足实际需求。因此亟需发展新一代的高性能锂离子电池。

显然，电极材料对于锂离子电池的性能表现起着决定性作用，具有优异性能的电极材料是高性能锂离子电池的基础。实际上，目前商业化锂离子电池的负极材料主要为石墨(天然石墨、人工石墨以及中间相碳微球等)，此外硅碳复合材料和钛酸锂也有一定的应用。尽管石墨负极材料的循环稳定性较好，循环寿命可以达到500次以上，但其理论比容量仅为372mA h g^-1，且其倍率性能较差。但快速充电在移动电子设备与电动汽车等领域有着重要的实际意义，石墨负极的层状结构使得其倍率性能较为有限，难以满足实际需求。钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)在嵌锂前后体积变化仅有0.20％，被称为“零应变”材料，因而其循环稳定性较好，同时其不可燃，安全性较好。同时，钛酸锂晶体具有三维孔道结构，有利于锂离子快速扩散，且其充放电平台高达1.55V(vs.Li⁺/Li)，避免了SEI膜的生成，有利于提高首圈库伦效率。但由于只有约60％钛(IV)可被还原，导致其理论比容量(175mA h g^-1)较低，且较高的工作电压使得全电池的输出电压较低，因而限制了钛酸锂电池的应用。因此，开发新型高能量密度、高功率密度的电极材料迫在眉睫。