[发明专利]一种铝铁掺杂钛酸锂负极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及电池材料领域，具体涉及一种铝铁掺杂钛酸锂负极材料的制备方法。

背景技术

自从锂离子电池被成功的商业化以来，锂离子电池因为具有长寿命、高容量、高能量密度等显著优点，被广泛地应用于手机、笔记本电脑等电子移动设备，在小型电动汽车上的使用也备受关注。

近年来，石墨作为锂离子电池负极材料得到了广泛的使用，是目前商业化锂离子电池的主流负极材料，随着研究人员的不断改性，性能比最初应用时有了较大改善，但是其仍然存在理论容量较低（372 mAh g^-1）等缺陷，限制了锂离子电池的进一步的应用。钛酸锂的诸多优点使其在电动汽车、混合动力汽车和储能电池等领域具有广泛的应用前景。但是，Li₄Ti₅O₁₂材料的电子电导 率低导致其在高倍率下电化学性能较差，而且在电池充放电过程中会产生胀气问题，这些都严重地影响了电池的循环寿命，并限制了钛酸锂的实际应用。

硬炭是一种由石墨微晶以无定形结构交联堆积组成的新型负极材料，该材料的层间距在0.38-0.4nm之间，大于石墨的0.34nm，有利于锂离子的快速嵌入于脱出，并且材料在锂离子的反复脱嵌过程中形变应力较小，能够保持结构的稳定性，这些性能在电池中最终体现为充电速度的加快和使用寿命的延长。

发明内容

本发明提供一种铝铁掺杂钛酸锂负极材料的制备方法，所述方法通过水热法，将Al³⁺和Fe³⁺按照一定的比例掺入钛酸锂的晶格结构中，用此种方法合成的新型负极材料仍是尖晶石结构，扩宽了锂离子的扩散通道，减小了锂离子的扩散阻力从而提高了材料的离子电导率；本发明将硬碳成分用于负极材料碳包覆剂，负极材料比容量高，循环性能和倍率性能优良。

为了实现上述目的，本发明提供一种铝铁掺杂钛酸锂负极材料的制备方法，该方法包括如下步骤：

（1）制备铝铁掺杂钛酸锂

所述铝铁掺杂钛酸锂的分子式为Li_4-xTi₄Al_xFeO₁₂，其中0.95≤x≤1.05；

将钛酸四丁酯溶于乙二醇溶液中形成钛溶液；

将柠檬酸锂、氯化铝、硝酸铁加入去离子水中，配制成混合溶液；

在搅拌状态下，将混合溶液加入到钛溶液中，充分混合均匀得复合溶液；

将复合溶液转移到反应釜中，于180-195℃条件下加热25-30h，经过抽滤干燥后得到前驱体；

将前驱体在空气气氛下、温度为600-800℃的条件下煅烧8-10h，得到铝铁掺杂钛酸锂；

（2）称取淀粉溶于无水乙醇中，搅拌5-6h，形成均一溶液，然后向溶液中加入上述铝铁掺杂钛酸锂以及与交联剂，在120-180℃条件下交联10-18h，得到固态前驱体；其中淀粉、铝铁掺杂钛酸锂、无水乙醇和交联剂的质量比为1：（15-20）：（30-45）：（0.5-0.7）；

（3）将固态前驱体进行粉碎和筛分，得到粒径为10-20μm的硬炭包覆粉体前驱体；

在流通的惰性气体保护下，将硬炭包覆粉体前驱体装入管式炉中，并以5-8℃/min的升温速度加热至450-580℃，保温3-5h，进行预碳化；

预碳化过程结束后，再以10-15℃/min的升温速度将管式炉的温度升至1000-1200℃将材料碳化，得到碳包覆铝铁掺杂钛酸锂负极材料。

优选的，所述钛、锂、铝、铁的元素摩尔质量比为4：(2.95-3.05)：(0.95-1.05)：1。

本发明具有如下优点和显著效果：

（1）所述方法通过水热法，将Al³⁺和Fe³⁺按照一定的比例掺入钛酸锂的晶格结构中，用此种方法合成的新型负极材料仍是尖晶石结构，扩宽了锂离子的扩散通道，减小了锂离子的扩散阻力从而提高了材料的离子电导率；

（2）本发明将硬碳成分用于负极材料碳包覆剂，负极材料比容量高，循环性能和倍率性能优良。

具体实施方式

实施例一

所述铝铁掺杂钛酸锂的分子式为Li_3.05Ti₄Al_0.95FeO₁₂。