一种二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的制备方法及其应用，采用水热法合成三氧化二铁微球，然后通过动力学控制水浴法在三氧化二铁微球上包覆一层无定型二氧化钛，随后在空气气氛中进行热处理得到具有核壳结构的结晶型二氧化钛包覆三氧化二铁复合锂离子电池负极材料。此方法制备的二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料有效结合了三氧化二铁的高比容量和二氧化钛的优异循环稳定性，从而表现出较高的比容量和稳定的循环性能，是一种理想的锂离子电池负极材料，可广泛应用于需要高能量密度、使用寿命长、高稳定性的锂离子动力电池上。同时本发明专利技术的方法简单，条件温和，成本较低，材料形貌结构易于调控，易大规模生产，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的制备方法及其应用
本专利技术属锂离子电池新能源材料领域，具体涉及一种二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的制备方法及其应用。
技术介绍
锂离子电池作为一种新型、绿色、高能化学电源被广泛应用于便携式电子设备、电动汽车、航空航天等领域。随着社会的发展，人们对锂离子电池性能提出了更高的要求。负极材料作为锂离子电池的重要组成，对电池的整体性能起重要作用。目前商业化锂离子电池采用的石墨基负极材料比容量通常小于350mAhg-1，这种较低的比容量难以满足实际的发展需求。此外，这种石墨基负极材料的嵌锂电位比较低，与金属锂相近，在不断的充放电过程中容易产生锂枝晶，从而导致电池短路，引发安全问题。因此，研究和开发新型、高效的负极材料迫在眉睫。近年来，过渡金属氧化物（如Fe2O3、Fe3O4、NiO、Co3O4等）因其比容量高、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而备受关注。其中Fe2O3的理论比容量高达1008mAhg-1，相当于传统石墨基负极比容量的3倍。同时，铁源具有无毒、廉价易得等优点。因而，三氧化二铁材料被作为一种高效的负极材料被大量研究。然而，三氧化二铁材料的电子传输比较慢，导致倍率性能不佳。同时，三氧化二铁材料在充放电过程中会出现较大的体积变化，导致材料结构的坍塌，造成容量的快速衰减。二氧化钛材料作为锂离子电池负极材料，其脱嵌锂电压平台在1.75V左右，可以有效的避免了锂枝晶的产生，提高了电池的使用安全。另外，钛氧形成八面体结构，在充放电过程中体积变化比较小，可以很好的保持结构的完整性，从而获得较好的循环性能稳定性。为此，对Fe2O3材料进行二氧化钛的有效包覆可以充分结合Fe2O3的高比容量和二氧化钛的稳定结构，有效改善三氧化二铁材料的上述缺点，从而获得一类具有较高比容量和优异循环性能的复合材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种比容量高且循环性能稳定的二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的制备方法及其应用。为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案是：一种二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：称取一定量九水合硝酸铁，溶解于一定量的丙三醇与无水乙醇的混合溶液中，搅拌溶解得到橙黄色溶液；步骤二：将步骤一获得的橙黄色溶液转入到50ml水热釜中在160～200℃下反应12～24小时，随后经洗涤、离心、60℃烘干得到浅红色的三氧化二铁材料；步骤三：称取0.075g步骤二中获得的三氧化二铁材料，溶解于100ml无水乙醇中，随后加入适量浓度为28%的氨水溶液，超声15分钟，然后缓慢滴加一定体积的钛酸四丁酯溶液；步骤四：将步骤三获得的混合溶液在45℃水浴反应12～36小时，随后洗涤、离心分离、60℃干燥得到无定型二氧化钛包覆三氧化二铁材料；步骤五：将步骤四获得的三氧化二铁材料在空气气氛下升温至400～800℃保温3～6小时，冷却至室温，获得最终的二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料。所述步骤一中铁离子浓度为0.02～0.10mol/L。所述步骤一中丙三醇与无水乙醇的体积比控制在1：1～8。所述步骤三中钛酸四丁酯与无水乙醇的体积比为0.6～1.2：100。所述步骤三中氨水溶液与无水乙醇的体积比为0.2～0.5：100。上述二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的应用，其特征在于，所述制得的二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料与乙炔黑、PVDF，按质量比8:1:1进行混合，制成浆料，均匀涂覆在铜箔上，经120℃真空烘干24小时后冲压为圆形电极极片。本专利技术先采用水热法合成具有多孔结构的三氧化二铁微球，然后通过动力学控制水浴法在三氧化二铁微球表面包覆一层无定型的二氧化钛材料，后经热处理得到二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料。本专利技术的优点在于制备条件简单温和，设备要求低，工艺路线简单，便于规模化生产，所得到的二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料具有较高的比容量和稳定的循环性能，因此具有良好的应用前景。附图说明图1为实施例1制备的二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料的XRD图；图2为实施例2制备的二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料的50000倍扫描电镜图片；图3为实施例3制备的二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料的10000倍扫描电镜图片；图4为实施例4制备的二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料的透射电子显微镜图片；图5为实施例4制备的二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料的前三次循环伏安曲线。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本专利技术提出的一种二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的制备方法及其应用的具体实施方式、方法、步骤、特征及其功效，详细说明如下：实施列1：称取0.32g九水合硝酸铁溶解于5ml丙三醇与35ml无水乙醇中，搅拌均匀形成铁离子的摩尔浓度为0.02mol/橙黄色溶液；然后将混合溶液转入50毫升水热釜中，在170℃反应24小时，随后自然冷却，洗涤、离心、60℃干燥得到三氧化二铁微球；称取0.075g三氧化二铁微球溶解于100ml无水乙醇中，随后加入浓度为28%的氨水溶液，氨水用量为无水乙醇体积的0.2%，超声15分钟，随后在搅拌搅拌条件下缓慢加入钛酸四丁酯（TBOT）溶液，TBOT的用量为无水乙醇的0.6%，控制在5分钟内滴加完全，随后将混合溶液转入到45℃水浴反应装置中，在搅拌的条件下进行反应24小时。随后进行离心、洗涤、分离、60℃烘干得到无定型二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料；最后在空气气氛下，400℃保温4小时，冷却至室温，得到二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料粉体。将制得的二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料、乙炔黑和PVDF以质量比为8:1:1进行混合，制成浆料，均匀涂覆在铜箔上，120℃真空烘干24小时后冲压为圆形电极极片，以金属锂片为对电极，1mol/LLiPF6/DMC+EC（体积比为1:1）为电解液，Celgard2300为隔膜，组装成纽扣电池进行电化学测试了，其充放电电压范围为0.01～3.0V。在100mAg-1循环50次后其可逆容量依旧保持在942mAhg-1，其首次放电容量为1315mAhg-1，充电容量为863mAhg-1。实施列2：称取0.32g九水合硝酸铁溶解于14ml丙三醇与26ml无水乙醇中，搅拌均匀形成铁离子的摩尔浓度为0.02mol/橙黄色溶液；然后将混合溶液转入50毫升水热釜中，在180℃反应12小时，随后自然冷却，洗涤、离心、60℃干燥得到三氧化二铁微球；称取0.075g三氧化二铁微球溶解于100ml无水乙醇中，随后加入浓度为28%的氨水溶液，氨水用量为无水乙醇体积的0.4%，超声15分钟，随后在搅拌搅拌条件下缓慢加入钛酸四丁酯（TBOT）溶液，TBOT的用量为无水乙醇的0.75%，控制在5分钟内滴加完全，随后将混合溶液转入到45℃水浴反应装置中，在搅拌的条件下进行反应15小时。随后进行离心、洗涤、分离、60℃烘干得到无定型二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料；最后在空气气氛下，500℃保温5小时，冷却至室温，得到二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料粉体。将制得的二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料、乙炔黑和PVDF以质量比为8:1:1进行混合，制成浆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：称取一定量九水合硝酸铁，溶解于一定量的丙三醇与无水乙醇的混合溶液中，搅拌溶解得到橙黄色溶液；步骤二：将步骤一获得的橙黄色溶液转入到50ml水热釜中在160～200℃下反应12～24小时，随后经洗涤、离心、60℃烘干得到浅红色的三氧化二铁材料；步骤三：称取0.075g步骤二中获得的三氧化二铁材料，溶解于100ml无水乙醇中，随后加入适量浓度为28%的氨水溶液，超声15分钟，然后缓慢滴加一定体积的钛酸四丁酯溶液；步骤四：将步骤三获得的混合溶液在45℃水浴反应12～36小时，随后洗涤、离心分离、60℃干燥得到无定型二氧化钛包覆三氧化二铁材料；步骤五：将步骤四获得的三氧化二铁材料在空气气氛下升温至400～800℃保温3～6小时，冷却至室温，获得最终的二氧化钛包覆三氧化二铁复合负极材料。

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钛包覆三氧化二铁复合材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：称取一定量九水合硝酸铁，溶解于一定量的丙三醇与无水乙醇的混合溶液中，搅拌溶解得到橙黄色溶液；步骤二：将步骤一获得的橙黄色溶液转入到50ml水热釜中在160～200℃下反应12～24小时，随后经洗涤、离心、60℃烘干得到浅红色的三氧化二铁材料；步骤三：称取0.075g步骤二中获得的三氧化二铁材料，溶解于100ml无水乙醇中，随后加入适量浓度为28%的氨水溶液，超声15分钟，然后缓慢滴加一定体积的钛酸四丁酯溶液；步骤四：将步骤三获得的混合溶液在45℃水浴反应12～36小时，随后洗涤、离心分离、60℃干燥得到无定型二氧化钛包覆三氧化二铁材料；步骤五：将步骤四获得的三氧化二铁材料在空气气氛下升温至400～800℃保温3～6小时，冷却至...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱文均，胡跃辉，陈义川，张效华，胡克艳，帅伟强，
申请(专利权)人：景德镇陶瓷大学，
类型：发明
国别省市：江西,36