[发明专利]一种钛酸亚铁材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛酸亚铁材料及其制备方法和应用，属于钠离子电池领域负极材料制备领域。

背景技术

锂离子电池作为一种占据社会主导地位的电化学储能器件，已经在便携式电子产品(笔记本电脑，智能移动装备，平板电脑等)、电动汽车和即插式混合动力电动车中取得了良好的应用。同时，钠离子电池由于钠资源蕴藏量丰富、环境友好也受到了广泛关注，钠离子电池的研究开发在一定程度上可缓和因锂资源短缺引发的电池发展受限问题，被认为是下一代电动汽车动力电源及大规模储能电站配备电源的理想选择。

过去的几十年时间里，科研工作者对钠离子电池的正极材料开展了广泛研究，但对钠离子电池负极材料的研究仍处于起步阶段。在现有的负极材料体系中，碳材料拥有良好的循环稳定性，但其质量比容量较低(小于300mA h g^-1)，不能满足高比容量钠离子电池商业化应用的要求。过渡金属氧化物、硫化物和硒化物理论比容量较高，但存在易团聚，容量易衰减等缺点。因此寻找一种可逆容量高、循环性能好的负极材料刻不容缓。近来大量研究结果表明，钛酸盐体系材料在钠离子电池中具有较高的理论比容量与较好的循环性能，钛酸亚铁由于原材料价格低廉引起了科学工作者的广泛关注。目前所报道的钛酸亚铁极少有合成特定的形貌，而无特定形貌的钛酸亚铁在充放电过程中易团聚，导致该材料的循环性能下降较快。并且将钛酸亚铁应用于钠离子电池负极材料的应用还鲜有报道，因此如何提高钛酸亚铁的循环稳定性能，成了钛酸亚铁作为钠离子电池负极材料研究的关键问题。

目前有学者研究制备具有特定形貌的钛酸亚铁，然而所制备的钛酸亚铁的存在形状不均匀，分散性不佳等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明第一个目的在于，提供一种分散性好，几乎无团聚，形状均匀的钛酸亚铁材料。

本发明的第二个目的在于提供一种一步水热法制备钛酸亚铁材料的方法，该制备方法工艺简单、重复性好、可操作性强、成本低、有利于工业化大规模生产的。

本发明的第三个目的在于提供一种钛酸亚铁材料的应用，将其作为负极材料应用于钠离子电池中，所得钠离子电池具有高放电比容量、优异的倍率性能和循环稳定性能。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明一种钛酸亚铁材料，所述钛酸亚铁材料为六方纳米片结构，六方纳米片的厚度为10～30nm，边长为100～500nm。

本发明一种钛酸亚铁材料，将所述钛酸亚铁材料与导电炭黑和海藻酸钠粘结剂按照7:1.5:1.5的质量比例进行研磨，充分混合后加入去离子水形成均匀的糊状物，涂覆在铜箔上作为测试电极，以金属钠作为对电极制成扣式电池，电解液为 1M NaClO₄/EC:DMC(1:1)+5wt.％FEC，测试恒流充放电性能，在500mA/g的恒流放电密度下，循环第二圈的放电容量为230～250mA/g，相对于循环第二圈循环500圈放电后容量保持率为85％～95％，循环1000圈放电后容量保持率为 77％～87％。

本发明一种钛酸亚铁材料的制备方法，包括以下步骤：

将钛源溶于四丁基氢氧化铵醇溶液中，得到含钛溶液，再将铁源加入至含钛溶液中，得到混合溶液；随后进行水热反应，反应后过滤获得滤渣及滤液，将滤渣洗涤、干燥后即得到钛酸亚铁材料；

所述铁源的加入量，按摩尔比计铁源：钛源为1：1～1.2；

所述混合溶液中，四丁基氢氧化铵的浓度为0.03～0.18mol/L；

所述水热反应温度为160～230℃，水热反应时间为5-15h。

本发明一种钛酸亚铁材料的制备方法，所述钛源为钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸异丙酯中的至少一种。作为进一步的优选，所述钛源为钛酸异丙酯。

本发明一种钛酸亚铁材料的制备方法，所述醇为乙醇，乙二醇，丙三醇，异丙醇中的至少一种。

优选地，本发明一种钛酸亚铁材料的制备方法，所述混合溶液中，四丁基氢氧化铵的浓度为0.06～0.14mol/L。

本发明一种钛酸亚铁材料的制备方法，所述混合溶液中，钛源的浓度为 0.05～0.15mol/L。作为进一步的优选，所述混合溶液中，钛源的浓度为0.07～0.13 mol/L。

优选地，本发明一种钛酸亚铁材料的制备方法，所述铁源的加入量，按摩尔比计铁源：钛源为1：1。

本发明一种钛酸亚铁材料的制备方法，所述铁源提供二价铁。作为进一步的优选，所述铁源为硫酸亚铁、氯化亚铁中的一种。在本发明的溶剂条件下，所述铁源为七水硫酸亚铁时，所制备的钛酸亚铁材料的形貌最佳。