锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料及其制备方法与应用，该负极材料是由一维青铜矿TiO2纳米带和FeOOH材料复合形成的。本发明专利技术制备的电极材料与传统的电极材料相比相比，具有较大的表面积、较高的理论比容量、较低的成本和更好的循环稳定性。证明了将高比容量的FeOOH与结构稳定性良好的青铜矿TiO2材料进行复合实现两种材料的协同作用是提高材料电化学性能的有效方法。本发明专利技术的FeOOH@青铜矿TiO2纳米复合材料具有较大的表面积、较高的理论比容量、较低的成本和更好的循环稳定性。较低的成本和更好的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术具体涉及到一种制备青铜矿TiO2复合FeOOH纳米片电极材料的方法，属于钠/锂离子电池


技术介绍

[0002]能源危机与环境污染问题持续影响人类的生存环境，其主要解决方法之一就是发展以锂离子电池为代表的金属离子电池作为新型能源储存设备。其中锂离子电池在便携式电子器件、能源储存电站等方面已经得到了广泛的应用；钠离子电池与锂离子电池相比则具有更低的成本优势有望成为下一代能源储存的革命性材料。但是锂离子电池与钠离子电池仍然面临着电极材料能量密度较低的缺点，在动力电池领域也仍然存在“里程焦虑”(range anxiety)的问题，因此如何提高电池电极材料的能量密度成为大家关注的热点。
[0003]二氧化钛具有成本低、来源广、化学稳定性好等优势，在电化学过程中随着金属离子脱嵌而产生的体积变化小，有利于提升电化学稳定性。一维结构的二氧化钛纳米带与块体材料相比通常具有更大的质量比表面积，这不仅有利于改善电极材料与电解液的接触情况，降低接触电阻，而且还能增加电极材料单位表面积的电流密度，提高电池整体的充放电性能。CN108281636A公开了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。但是，氧化铁本身在充放电过程中体积改变较大，容易导致电极材料出现粉化而失效。
[0004]青铜矿二氧化钛与其他晶型的二氧化钛相比具有更高的理论容量，一维青铜矿TiO2纳米带具有较好的电化学稳定性和结构稳定性。但是，其充放电容量与其他材料相比仍然较低，这限制了材料能量密度的有效提升。通过复合其他具有高理论比容量的材料成为一种提升比容量的有效方法，FeOOH材料具有大比表面积、较高的理论比容量和较低的成本，但是其作为电极材料面临着在充放电过程中体积变化大等缺点。因此，将高比容量的FeOOH与结构稳定性良好的青铜矿TiO2材料进行复合实现两种材料的协同作用是提高材料电化学性能的有效方法。为此，提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，尤其是现有的锂离子电池负极材料无法同时满足较高比容量和结构稳定性的缺陷，本专利技术提供一种锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料及其制备方法与应用。
[0006]锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料，该负极材料是以FeOOH与青铜矿TiO2复合形成的纳米复合材料。化学组成表示为FeOOH@青铜矿TiO2。
[0007]根据本专利技术，优选的，所述的FeOOH和青铜矿TiO2的摩尔比为1：(0.16-1.25)，进一
步优选1：(0.6-1)，最优选1：0.8。
[0008]根据本专利技术，优选的，所述的青铜矿TiO2为青铜矿TiO2纳米带；进一步优选的，所述的青铜矿TiO2纳米带宽度为50-100nm，厚度为20-30nm。所述的青铜矿TiO2纳米带长度可以达到数微米至几十微米，在微观结构上呈现出较大的比表面积。
[0009]根据本专利技术，优选的，所述的青铜矿TiO2纳米带按照如下方法制备得到：
[0010]将气相法二氧化钛溶于氢氧化钠溶液中，密闭水热反应，水热反应产物与水和盐酸中分别浸泡后，洗涤至中性，干燥，然后煅烧即得。
[0011]根据本专利技术，优选的，所述的氢氧化钠溶液浓度为4-12mol/L；
[0012]优选的，水热反应温度为160-190℃，进一步优选180℃；
[0013]优选的，水热反应时间为60-80h，进一步优选72h。
[0014]根据本专利技术，优选的，所述的盐酸溶液的浓度为5-25wt％；
[0015]优选的，水和盐酸溶液的浸泡时间均为20-30h，进一步优选24h；
[0016]优选的，洗涤至中性后，干燥温度为80-100℃，干燥时间为5-10h。
[0017]根据本专利技术，优选的，煅烧温度为250-450℃，进一步优选300-450℃，最优选400℃；
[0018]优选的，煅烧时间为20-120min，进一步优选30-60min，最优选30min。
[0019]根据本专利技术，上述锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料的制备方法，包括步骤如下：
[0020]将青铜矿TiO2分散在水中，加入FeCl3，密闭反应，反应完成后反应产物经洗涤、固液分离、所得固体进行干燥，即得锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料。
[0021]根据本专利技术，优选的，反应温度为50-95℃，进一步优选65-85℃，最优选75℃；
[0022]优选的，反应时间为1-6h，进一步优选3-6h，最优选3h。
[0023]根据本专利技术，优选的，洗涤采用去离子水洗涤；
[0024]优选的，固液分离的方式为抽滤；
[0025]优选的，干燥温度为85-106℃，干燥时间为1-3h。
[0026]根据本专利技术，锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料的制备方法，一种优选的实施方案，包括步骤如下：
[0027](1)称量商业化二氧化钛P25分散在10mol/L浓度的NaOH的水溶液中，转移到反应釜中密封后在180℃烘箱中保温72h，反应产物经过稀盐酸酸洗、抽滤、80-100℃干燥后，再于400℃条件下进行煅烧处理30min，即可得到形貌结构良好的青铜矿TiO2纳米带；
[0028](2)将青铜矿TiO2纳米带分散到水中，配置成分散液，并对其进行超声，磁力搅拌使青铜矿TiO2纳米带分散均匀，采用FeCl3作为原料，分散到上述溶液中，密闭条件下，于50-95℃反应1-6h，得到的体系用去离子水经过洗涤、抽滤后，固体在烘箱中干燥，即FeOOH@青铜矿TiO2纳米复合材料。本专利技术中，FeOOH是通过FeCl3逐渐水解生成的。在制备FeOOH@青铜矿TiO2纳米材料过程中，随着反应时间的增加，FeCl3逐渐水解生成FeOOH，其水解时间的长短对制备FeOOH@青铜矿TiO2纳米材料具有重要影响。
[0029]根据本专利技术，还提供包括上述锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料的锂离子电池负极片。
[0030]根据本专利技术，优选的，所述的锂离子电池负极片是将二氧化钛羟基氧化铁负极材
料、乙炔黑、粘结剂混合后，加入溶剂进行充分研磨，得到预涂浆液并涂覆在铜箔上，干燥，即得锂离子电池负极片。
[0031]根据本专利技术，优选的，所述的粘结剂为聚偏氟乙烯(PVDF)、羧甲基纤维素(CMC)中的一种；
[0032]优选的，所述溶剂为N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺、乙酰胺和水中的一种。
[0033]根据本专利技术，优选的，二氧化钛羟基氧化铁负极材料、乙炔黑、粘结剂的质量比为8:1:1。
[0034]根据本专利技术，锂离子电池负极片的制备，一种优选的实施方案，包括步骤如下：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料，其特征在于，该负极材料是以FeOOH与青铜矿TiO2复合形成的纳米复合材料。2.根据权利要求1所述的锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料，其特征在于，所述的FeOOH和青铜矿TiO2的摩尔比为1：(0.16-1.25)。3.根据权利要求1所述的锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料，其特征在于，所述的青铜矿TiO2为青铜矿TiO2纳米带；优选的，所述的青铜矿TiO2纳米带宽度为50-100nm，厚度为20-30nm。4.根据权利要求3所述的锂离子电池二氧化钛羟基氧化铁负极材料，其特征在于，所述的青铜矿TiO2纳米带按照如下方法制备得到：将气相法二氧化钛溶于氢氧化钠溶液中，密闭水热反应，水热反应产物与水和盐酸中分别浸泡后，洗涤至中性，干燥，然后煅烧即得；优选的，所述的氢氧化钠溶液浓度为4-12mol/L；优选的，水热反应温度为160-190℃；优选的，水热反应时间为60-80h；优选的，煅烧温度为250-450℃；优选的，煅烧时间为20-120min。5.权利要求1所述的锂离子电池二氧化钛羟基氧化...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泰林，沈建兴，郑秋菊，蒋新朝，孙长龙，杨铭志，张雷，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：