[发明专利]一种碳掺杂三明治结构锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法，具体为一种碳掺杂三明治结构纳米TiO₂@Fe₂O₃锂离子电池负极材料的制备方法。针对目前TiO₂负极材料比容量不高和电导率低的缺点，本发明以Ti₃C₂和二茂铁作为前驱体，通过一步退火处理制备出了碳掺杂三明治结构纳米TiO₂@Fe₂O₃复合物，其优点在于合成工艺简单、成本低、可以大规模生产。此方法制备的碳掺杂三明治结构纳米TiO₂@Fe₂O₃颗粒均匀，具有良好的电化学性能。

技术领域

本发明提供了一种锂离子电池负极材料的制备方法，具体为一种碳掺杂三明治结构纳米TiO₂@Fe₂O₃锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

锂离子电池因具有高能量密度、长循环寿命、较低的自放电率、无记忆效应等特点，已被广泛应用于便携式电子设备。

负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，其结构和组成在很大程度上影响着锂离子电池的电化学性能。传统商业化的负极材料为石墨化碳，其较低的理论比容量低(372mAh/g)已经无法满足新一代移动设备和动力电池的需求。TiO₂因其成本低、环境友好等特点，被认为是可替代石墨的最具有潜力的负极材料之一，因此得到了越来越多的关注。且其在充放电过程中体积变化小的特性使得TiO₂在锂离子嵌入和脱嵌的过程中具有优异的结构稳定性和较好的循环稳定性。然而，TiO₂较低的理论比容量和较差的导电性限制了其在锂离子电池中的应用。目前常用的解决方案有两种，一种是通过与具有较高理论比容量的金属氧化物形成复合材料以提高其比容量；另外一种是通过掺杂C、N、Fe等外源原子可以提高其导电性，从而改善其储锂性能。

目前的碳掺杂方法大多需要外加碳源，并通过溶胶凝胶、水热等方法实现，制备工艺比较复杂且设备成本和生产成本过高。MXene作为一种新型的二维过渡金属碳化物或氮化物，其高导电率和独特的结构使得其在电化学领域中得到了广泛的应用。在众多MXene材料中，因具有丰富的表面性能、优异的结构稳定性，Ti₃C₂受到了越来越多的关注。Ti₃C₂在一定条件下可以被氧化为TiO₂，且在生成TiO₂过程中，Ti₃C₂中的C可以作为合适的掺杂剂掺入TiO₂，提高TiO₂导电性，不需添加额外的碳掺杂剂。本发明通过直接氧化多层Ti₃C₂粉末，不需外加碳源，得到碳掺杂层状TiO₂。

同时，Fe₂O₃具有理论比容量高(1005mAh/g)、环境友好、成本低等特点，但其在循环过程中体积膨胀严重，导致电极材料粉化脱落，容量快速衰减，阻碍了其在锂离子电池中的应用。而将其与TiO₂复合，不仅可以提高复合物的比容量，同时可以在一定程度上缓解Fe₂O₃体积变化。传统的复合物一般需要比较复杂的合成步骤，制备工艺复杂且不易得到。