[發明專利]一種鈦酸鋰/三氧化二鐵復合鋰離子電池負極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201310348537.2
• 申請日: 2013-08-12
• 公開（公告）號: CN103413927A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 姜銀珠;胡梅娟;嚴密
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/52
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明涉及鋰離子電池技術領域，尤其涉及一種鈦酸鋰/三氧化二鐵復合鋰離子電池負極材料及其制備方法。

背景技術

隨著現代社會的高速發展，傳統能源日益枯竭，尋找新的清潔能源變得更為迫切。鋰離子電池由于具有高的能量密度、功率密度、工作電壓高、自放電率低、無記憶效應、循環壽命長、無污染等獨特優勢，迅速發展成一種最重要和最先進的二次電池。綠色環保的鋰離子電池經過20多年的發展，已經在便攜式電子產品和通訊工具等中得到了廣泛應用，己成為攝像機、移動電話、筆記本電腦以及便攜式測量儀器等電子裝置小型輕量化的理想電源，也是未來電動汽車用輕型高能動力電池的首選電源，但它在這些方面的廣泛應用還有待于技術和經濟指標的突破，包括能量與功率密度、安全性、循環壽命的性能的提升。

目前商品化的鋰離子電池負極材料大多采用價格便宜、熱穩定性好、環境友好的石墨化碳材料，但由于石墨的嵌鋰電位比較低，容易導致電解液的分解以及枝晶鋰的析出，引發一系列的安全問題。因此，需要尋找比碳負極嵌鋰電位更高、廉價易得、安全可靠的新的負極材料。

尖晶石型鈦酸鋰（Li₄Ti₅O₁₂）以其優良的高安全性和結構穩定性，近年來被認為是最有應用前景的負極材料之一。Li₄Ti₅O₁₂的相對鋰電極的電位為1.55V（vs?Li/Li⁺），理論比容量為175mAh/g，實驗比容量可達到150～160mAh/g。在鋰離子嵌入和脫除過程中，鈦酸鋰晶體結構能夠保持高度的穩定性，晶格常數變化很小，體積變化<1%，被稱為“零應變”材料。它的嵌鋰電位高而不易引起金屬鋰析出，能夠在大多數液體電解質的溫度電壓區間安全工作。它還具有原料來源廣泛、清潔、環保等優點，鈦酸鋰電池的這些優點有利于其在電動車和儲能領域的應用。但是鈦酸鋰材料的本征電子導電能力（電導率10^-13S/cm）和離子導電能力（鋰離子擴散系數約為2×10^-8cm²/s）不高，大電流放電容易產生較大極化，容量衰減快，倍率性能較差。此外，相對于氧化鐵、氧化錫等氧化物材料，鈦酸鋰的理論容量較低，這些都限制了其作為高倍率負極材料在動力鋰離子電池和儲能電池中的應用。

發明內容

本發明的目的是針對上述不足，提供一種鈦酸鋰/三氧化二鐵復合鋰離子電池負極材料及其制備方法，將鈦酸鋰材料與導電性好、比容量高的三氧化二鐵復合，從而提高負極材料的比容量及大倍率充放電性能，改善材料的導電性。

鈦酸鋰/三氧化二鐵復合鋰離子電池負極材料由鈦酸鋰和三氧化二鐵兩部分組成，其中三氧化二鐵的質量百分數為1%～20%、鈦酸鋰的質量百分數為80%～99%。

鈦酸鋰/三氧化二鐵復合鋰離子電池負極材料的制備方法包括以下步驟：

1）將鐵鹽前驅物溶解于水中，充分混勻后加入燃燒劑，燃燒劑與鐵離子的摩爾比為0.5:1～4:1，充分混勻后再加入氨水調節溶液pH至5～8；

2）將溶液置于水浴中加熱蒸發，溫度恒定在70～100℃，連續攪拌直至形成粘稠的凝膠；

3）將凝膠置于預升溫至200～500℃的馬弗爐中進行燃燒反應，燃燒反應后保溫1小時得到Fe₂O₃粉體；

4)?將體積比為1:1～10:1的去離子水和酸混合配制成均勻溶液，再逐滴加入鈦的化合物，磁力攪拌30分鐘，獲得均勻溶液，鈦的化合物溶液的濃度為0.01～1mol/L；

5)?稱取鋰鹽加入去離子水中，溶解后加入步驟4)所得的均勻溶液中,保持Li與Ti的化學計量比為4:5，磁力攪拌30分鐘，獲得均勻溶液后，加入燃燒劑，燃燒劑與金屬離子的摩爾比為0.5:1～4:1，充分混勻后再加入氨水調節混合溶液pH至5～8；

6）?取步驟3）所得的Fe₂O₃粉體加入到步驟5）的混合溶液中，超聲30min后磁力攪拌以混合均勻；