[發明專利]一種二氧化鈦/碳/二硫化亞鐵復合材料的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 202110153769.7
• 申請日: 2021-02-04
• 公開（公告）號: CN112993221B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 劉啟明;李光輝;楊希國
• 申請（專利權）人: 多助科技（武漢）有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M10/0525
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 祝蓉蓉

本發明提供了一種二氧化鈦/碳/二硫化亞鐵復合材料的制備方法，該復合材料利用兩步水熱法制備，通過溶解P25氣相二氧化鈦再對其進行多巴胺包覆后煅燒得到TiO₂/C復合材料，然后再加入硫源和鐵源在高溫下結晶得到塊狀晶體FeS₂復合碳棒以及TiO₂納米顆粒結構的二氧化鈦/碳/二硫化亞鐵復合材料。這種材料在用作鋰離子電池負極材料時，在不同電流密度下均表現出了優異的循環性能；該復合材料的制備方法具有成本低、重復率高、安全環保等優點。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池領域，特別是鋰離子電池電極材料領域，尤其涉及二氧化鈦/碳/二硫化亞鐵復合材料的制備和應用。

背景技術

商用鋰離子電池的負極材料通常是石墨，因為其成本低、穩定性好，但是石墨仍然存在一定的缺陷，其理論比容量僅為372mAh/g，且鋰離子嵌入/嵌出電位很低。如此低的理論比容量必然會成為未來新型鋰離子電池發展的瓶頸，同時低的鋰離子嵌入/嵌出電位很容易在負極形成鋰枝晶，鋰枝晶在負極上聚集到一定數量可能刺穿隔膜，造成短路，進而極大地影響了電池的安全性。

FeS₂是理想的負極材料，其具有合適的充放電平臺和高達890mAh/g的理論比容量。然而，純FeS₂在循環充放電過程中會受到離子轉化和合金化反應的影響，材料本身會產生較大的體積變化，容量大幅衰減。為了提高FeS₂的循環性能，可以在FeS₂體系中引入TiO₂。當TiO₂作為負極材料時，在循環充放電過程中，其體積變化很小，且鋰離子嵌入/嵌出電位高，可有效減少鋰枝晶的形成，保證了電極材料的安全性。但是TiO₂本身的理論比容量也非常低，電導率很差，作為負極材料時，Li⁺嵌入TiO₂晶格內層，難以在TiO₂表面形成有效電場，Li⁺不能完全脫出，限制了TiO₂材料作為鋰離子電池負極的應用。目前的鋰離子電池電極的研究者大多把研究重點放在FeS₂/C復合材料和TiO₂/C復合材料上面，沒有能夠很好得結合這三者各自的優勢。

齊魯工業大學的張敬于2018年發表的碩士學位論文《二氧化鈦-二硫化鉬復合材料的制備及應用研究》中公開了一種花狀TiO₂/C/MoS₂復合材料的制備方法，在磁力攪拌下向盛有40mL乙酸的燒杯中加入0.2g PVP后攪拌20分鐘以形成澄清溶液。然后，在攪拌條件下分別向上述燒杯中緩慢滴加1mL的TBT(調控鈦源)。以觀察PVP和TBT濃度對樣品形貌的影響。再攪拌20min后，將得到的懸浮液轉移到聚四氟乙烯內襯里的高壓釜(容量為100mL)中，并在150℃的烘箱中老化24小時。自然冷卻至室溫后，離心收集沉淀，用去離子水和乙醇洗滌數次，然后在鼓風干燥箱中50℃干燥12h。將干燥好的樣品在氮氣氣氛中煅燒得到碳摻雜花狀TiO₂微球(TiO₂/C)。通過超聲處理將0.2g得到的TiO₂/C微球分散到40mL去離子水中。然后在劇烈攪拌下向上述懸浮液中加入0.223g(NH₄)₆Mo₇O₂₄·4H₂O和0.219g CH₄N₂S。攪拌30分鐘后，將所得的均勻懸浮液轉移到聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中，并在200℃的烘箱中老化24小時。自然冷卻至室溫后，離心收集沉淀，用去離子水和乙醇洗滌數次，然后在50℃下干燥12小時。將按照該方法制備的TiO₂/C/MoS₂復合材料用作鋰離子電池的負極，對其電化學性能進行測試，在電流密度為100mA/g下循環100次后，TiO₂/C/MoS₂復合材料電極的放電容量保持在621mAh/g。但是該復合材料的電學性能還有待提高。

發明內容