[发明专利]一种钛酸锂/三氧化二铁复合锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种钛酸锂/三氧化二铁复合锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

随着现代社会的高速发展，传统能源日益枯竭，寻找新的清洁能源变得更为迫切。锂离子电池由于具有高的能量密度、功率密度、工作电压高、自放电率低、无记忆效应、循环寿命长、无污染等独特优势，迅速发展成一种最重要和最先进的二次电池。绿色环保的锂离子电池经过20多年的发展，已经在便携式电子产品和通讯工具等中得到了广泛应用，己成为摄像机、移动电话、笔记本电脑以及便携式测量仪器等电子装置小型轻量化的理想电源，也是未来电动汽车用轻型高能动力电池的首选电源，但它在这些方面的广泛应用还有待于技术和经济指标的突破，包括能量与功率密度、安全性、循环寿命的性能的提升。

目前商品化的锂离子电池负极材料大多采用价格便宜、热稳定性好、环境友好的石墨化碳材料，但由于石墨的嵌锂电位比较低，容易导致电解液的分解以及枝晶锂的析出，引发一系列的安全问题。因此，需要寻找比碳负极嵌锂电位更高、廉价易得、安全可靠的新的负极材料。

尖晶石型钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）以其优良的高安全性和结构稳定性，近年来被认为是最有应用前景的负极材料之一。Li₄Ti₅O₁₂的相对锂电极的电位为1.55V（vs Li/Li⁺），理论比容量为175mAh/g，实验比容量可达到150～160mAh/g。在锂离子嵌入和脱除过程中，钛酸锂晶体结构能够保持高度的稳定性，晶格常数变化很小，体积变化<1%，被称为“零应变”材料。它的嵌锂电位高而不易引起金属锂析出，能够在大多数液体电解质的温度电压区间安全工作。它还具有原料来源广泛、清洁、环保等优点，钛酸锂电池的这些优点有利于其在电动车和储能领域的应用。但是钛酸锂材料的本征电子导电能力（电导率10^-13S/cm）和离子导电能力（锂离子扩散系数约为2×10^-8cm²/s）不高，大电流放电容易产生较大极化，容量衰减快，倍率性能较差。此外，相对于氧化铁、氧化锡等氧化物材料，钛酸锂的理论容量较低，这些都限制了其作为高倍率负极材料在动力锂离子电池和储能电池中的应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足，提供一种钛酸锂/三氧化二铁复合锂离子电池负极材料及其制备方法，将钛酸锂材料与导电性好、比容量高的三氧化二铁复合，从而提高负极材料的比容量及大倍率充放电性能，改善材料的导电性。

钛酸锂/三氧化二铁复合锂离子电池负极材料由钛酸锂和三氧化二铁两部分组成，其中三氧化二铁的质量百分数为1%～20%、钛酸锂的质量百分数为80%～99%。

钛酸锂/三氧化二铁复合锂离子电池负极材料的制备方法包括以下步骤：

1）将铁盐前驱物溶解于水中，充分混匀后加入燃烧剂，燃烧剂与铁离子的摩尔比为0.5:1～4:1，充分混匀后再加入氨水调节溶液pH至5～8；

2）将溶液置于水浴中加热蒸发，温度恒定在70～100℃，连续搅拌直至形成粘稠的凝胶；

3）将凝胶置于预升温至200～500℃的马弗炉中进行燃烧反应，燃烧反应后保温1小时得到Fe₂O₃粉体；

4) 将体积比为1:1～10:1的去离子水和酸混合配制成均匀溶液，再逐滴加入钛的化合物，磁力搅拌30分钟，获得均匀溶液，钛的化合物溶液的浓度为0.01～1mol/L；

5) 称取锂盐加入去离子水中，溶解后加入步骤4)所得的均匀溶液中,保持Li与Ti的化学计量比为4:5，磁力搅拌30分钟，获得均匀溶液后，加入燃烧剂，燃烧剂与金属离子的摩尔比为0.5:1～4:1，充分混匀后再加入氨水调节混合溶液pH至5～8；

6） 取步骤3）所得的Fe₂O₃粉体加入到步骤5）的混合溶液中，超声30min后磁力搅拌以混合均匀；