[发明专利]一种三氧化二铁/钛酸锂复合材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种三氧化二铁/钛酸锂复合材料的制备方法及其应用，通过两步水热法合成，首先采用水热法合成三氧化二铁微球，然后以三氧化二铁微球为模板，以Li的可溶性化合物和Ti的可溶性化合物为锂源和钛源，通过水热反应和后续煅烧处理得到钛酸锂包覆三氧化二铁复合材料，所得材料具有优异的电化学性能，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种三氧化二铁/钛酸锂复合材料的制备方法及其应用。

背景技术

锂离子电池因其具有功率密度高能量密度大、安全性能好、循环寿命长等优点，在便携式电子产品、电动汽车、智能电网等领域具有广阔的应用前景。目前商品化的锂离子电池主要是采用碳负极材料，其比容量较低（372 mAh/g），难以满足社会发展对高性能的需求。同时，碳的电极电位与锂相近，在充放电过程中产生锂枝晶，造成短路，引发安全问题。

Fe₂O₃因理论比容量高（约1008 mAh g^-1）、无毒、来源广泛等优点被认为是一类很有应用前景的锂离子电池负极材料。然而，跟其他过渡金属氧化物类似，Fe₂O₃材料存在电子传输比较慢，倍率性能不佳问题。同时，在充放电过程中会发生较大的体积变化，导致材料结构的坍塌，造成容量的快速衰减。

具有尖晶石结构的钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）是一种很有前景的负极材料，其理论比容量为175 mAh/g，在充放电过程中，晶体结构几乎不发生变化，被称为“零应变”材料，具有很好的循环性能。另外其相对于金属锂的电位为1.55V，远高于多数电解液的还原电压， 有效的避免了电解液的还原和钝化膜的生成，从而消除安全隐患。另外，相对于传统碳负极材料，钛酸锂具有高的锂离子扩散系数，可进行大倍率充放电。

因此，进行三氧化二铁与钛酸锂的复合是一种获得优异电化学性能三氧化铁基电极材料的有效途径。申请号：201310615723.8的国内专利采用凝胶溶胶法先制备出二氧化钛包覆三氧化二铁的中间产物，然后将这种中间产物在锂碱性水溶液中水热条件下转化成钛酸锂包覆三氧化二铁的产物。申请号：201310348537.2的国内专利通过两步燃烧法合成，首先制备出三氧化二铁粉末，再在钛酸锂制备步骤中加入并进行复合，制备出钛酸锂 /三氧化二铁复合锂离子电池负极材料。这些方法存在制备周期长、步骤繁琐、材料形貌结构难以控制等问题，在一定程度上限制其进一步应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种具有优异电化学性能的三氧化二铁/钛酸锂复合材料的制备方法及其应用。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种三氧化二铁/钛酸锂复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：取0.2 g九水合硝酸铁溶解于5 ml丙三醇与35 ml乙二醇混合溶液，

搅拌均匀，随后转入50 ml水热釜，在180℃下反应12～36小时，冷却至室温，用去离子水和无水乙醇清洗、离心分离，后在60℃鼓风干燥箱中烘干得到三氧化二铁微球材料；

步骤二：将一定量步骤一获得的三氧化二铁微球材料、适量的锂源和钛源加入到40ml醇溶液中，经超声分散、搅拌得到浅红色溶液；

步骤三：将步骤二获得的浅红色溶液转入50ml水热釜中，在160～200℃， 反应12～36小时，自然冷却后，用无水乙醇和去离子水离心洗涤反应物，最后在60℃的鼓风干燥箱中烘干得到三氧化二铁/钛酸锂复合负极材料。

所述步骤二中锂源为氢氧化锂、硝酸锂、醋酸锂、氯化锂、柠檬酸锂、异丙醇锂中的一种。

所述步骤二中的钛源为钛酸四丁酯、异丙醇钛、四氯化钛、偏钛酸中的一种。