[发明专利]一种以金属有机骨架为前体制备碳负载Fe-Ti-O负极材料的方法

说明书

一种以金属有机骨架为前体制备碳负载Fe‑Ti‑O负极材料的方法，属于电池技术领域。将Ti‑MOF与铁源按一定比例混合，将混合物溶于溶剂中，在一定温度下开始搅拌，使其混合均匀至溶剂挥发；将干燥的混合物放入研钵中进行研磨，后放入气氛炉中，进行高温处理，降至室温得到碳负载的Fe‑Ti‑O负极材料。此方法合成的Fe‑Ti‑O@C材料表现了良好的电化学性能，具有高的比容量；对于锂离子电池，特别是在高倍率充放电下，循环200圈后，容量还可保持455mAh g^‑1，表现了良好的循环性。

技术领域

本发明属于电池技术领域，特别是FeTiO₃锂离子电池一种以金属有机骨架为前驱体制备负极材料的方法。

背景技术

锂离子电池作为现代高性能电池的代表，具有比能量高，重量轻，环保等优点。因此，它广泛用于混合动力电动汽车和便携式电子设备。阳极材料是锂离子电池的重要组成部分，是容量的主要供应者。然而，商用锂离子电池负极材料的石墨理论容量仅为372mAhg^-1，这是其使用的主要障碍。因此，寻找具有高比容量和循环寿命的有希望的阳极替代品。

金属有机骨架(MOF)及其衍生物引起了广泛的关注，由于MOF具有高孔隙率，多功能结构和可控化学成分[1]，MOF为用于可充电电池的电极材料提供了极大的可能性。例如，Yu等人报道了使用ZIF-67空心棱镜合成CoS₂纳米气泡空心棱柱[2]，Muhammad等人受CoZn-ZIF的局部结构的启发，合成了ZnCoS@Co₉S₈/NC多面体，在2000mA g^-1的高电流密度下进行400次循环后仍然提供1095mAh g^-1的可逆容量[3]。

过渡金属氧化物由于其具有高的理论比容量，而受到广泛的关注，其中锐钛矿型TiO₂的负极材料，由于其在充放电过程中的体积变化只有3–4％，结构稳定，但是其低的理论容量仅有168–335mAh g^-1，因此，限制了它的应用。与TiO₂电极相比较，Fe₃O₄电极具有高的理论比容量(930mAh g^-1)，在地球丰度和环境友好性方面，Ti基和Fe基过渡金属氧化物具有良好的发展前景。鉴于TiO₂和Fe₃O₄的优点，可以通过组合它们来开发新的负极材料。在这项研究中，我们开发了一种新型复合负极材料，碳负载的Fe-Ti-O复合材料，用于锂离子电池负极材料。Li等人最近报道了一种碳包覆的Ti-Fe-O复合材料用于锂离子电池，其中含有钛铁矿FeTiO₃、Fe₃O₄、TiO₂粒子，在500mA g^-1循环500圈后，还能保持321.7mAh g^-1的容量，表现了优异的循环稳定性[4]，这表明添加碳可以有效地改善FeTiO₃的电化学性能

由于以金属有机骨架作为前驱体合成的材料，具有一系列的优点，因此，在本工作中，碳负载的Fe-Ti-O纳米粒子通过金属有机骨架为前驱体制备的负极材料，获得了高的初始可逆容量和循环性能，使其具有更多的优势，可用作锂离子电池阳极材料。

参考文献：

[1]R.Zhao,Z.Liang,R.Zou,Q.Xu,Metal-Organic Frameworks for Batteries,Joule,2(2018)2235-2259.

[2]L.Yu,J.F.Yang,X.W.Lou,Formation of CoS2 Nanobubble Hollow Prismsfor Highly Reversible Lithium Storage,Angewandte Chemie InternationalEdition,55(2016)13422-13426.