[发明专利]金属氧化物复合钛酸锂材料、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种金属氧化物复合钛酸锂材料、其制备方法及应用。该制备方法包括以下步骤：S1，将ZIF‑67粉体和钛源，得到原料混合液；其中钛源为钛酸四丁酯溶液或钛酸异丙脂溶液；S2，向原料混合液中加入锂盐溶液混合，反应得到前驱体；S3，将前驱体进行焙烧，得到金属氧化物复合钛酸锂材料。该材料结合了金属有机框架衍生的ZIF‑67与尖晶石型钛酸锂材料的优点，改善了金属氧化物的体积膨胀问题，大大提高了材料的比表面积，弥补了钛酸锂比容量低的缺点，得到了一款拥有高比容量、结构稳定、循环寿命较长的负极材料。与此同时，上述制备方法工序简单，能够在短时间、低能耗的条件下，合成出粒径分布均匀的多孔Co₃O₄/Li₄Ti₅O₁₂材料。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种金属氧化物复合钛酸锂材料、其制备方法及应用。

背景技术

金属有机框架(MOFs)材料是一种由金属簇和有机配位体通过配位键形成的立体网络结构的多孔晶体材料，孔径大小可以由有机配体的大小来调控。超大的比表面和有机无机杂化的特性使其在气体存储、催化、化学传感方面存在很大的潜在价值。另外，可以通过调控MOF结构中的金属离子和有机配体实现其在储能领域(锂离子电池、锂硫电池、锂空气电池、钠离子电池)的应用。

金属-有机框架的金属中心和有机配体都具有电荷负载能力，利于提高比容量；其固有的孔结构利于锂离子在充放电过程中快速脱嵌。因此，MOFs用于锂电负极材料具有重要的研究价值。但是由于MOFs材料作为负极在进行充放电时，体积膨胀较大，导致不可逆容量损失，循环性能差。

锂离子电池负极材料，尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂(钛酸锂)具有充放电过程中晶体结构稳定、几乎不发生改变的“零应变”特性，可以快速地放电性能，具有较高的安全性能和较好的循环性能，缺点是比容量较低。

基于以上原因，有必要提供一种比容量较高、充放电时体积膨胀小的锂离子电池负极材料。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种金属氧化物复合钛酸锂材料、其制备方法及应用，以解决现有技术中的锂离子电池负极材料比容量低或者充放电过程中体积膨胀严重的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种金属氧化物复合钛酸锂材料的制备方法，其包括以下步骤：S1，将ZIF-67粉体和钛源，得到原料混合液；其中钛源为钛酸四丁酯溶液或钛酸异丙脂溶液；S2，向原料混合液中加入锂盐溶液混合，反应得到前驱体；S3，将前驱体进行焙烧，得到金属氧化物复合钛酸锂材料。

进一步地，步骤S2中，将锂盐溶液以批次或滴加的形式加入至原料混合液中进行反应；优选地，反应过程中的反应温度为100～130℃，反应时间为2～5h。

进一步地，步骤S3包括：将前驱体进行压滤，得到滤饼；将滤饼置于马弗炉中，在500～700℃温度条件下焙烧6～8h，得到金属氧化物复合钛酸锂材料。

进一步地，ZIF-67粉体与钛源中溶质的重量比为0.3～1:1；优选地，钛源中溶质与锂盐溶液中锂盐的重量比为5～7:1。

进一步地，锂盐溶液中的锂盐为锂的盐酸盐、硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐中的一种或多种。

进一步地，ZIF-67粉体由以下方法制备而成：将六水合硝酸钴溶液与2-甲基咪唑溶液进行微波反应，得到ZIF-67粉体；优选地，六水合硝酸钴溶液中六水合硝酸钴与2-甲基咪唑溶液中2-甲基咪唑的重量比为0.1～0.3:1。

进一步地，微波反应在微波反应器中进行，反应温度为100～130℃，反应时间为12～24h。

进一步地，待微波反应结束后，将产物浆料沉淀12～24h，然后依次进行离心分离、洗涤、干燥，得到ZIF-67粉体。