[发明专利]一种高性能锂离子电池的电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种新型的高性能锂离子电池电极材料。

背景技术

焦磷酸钛（TiP₂O₇）电极材料以其结构稳定、离子导电性好、安全性好、容易制备、资源丰富等优点备受关注。目前，该材料在锂离子电池中的应用分为两个方面。在有机系锂离子电池中，焦磷酸钛作为的正极材料得到广泛研究；在水系锂离子电池中，焦磷酸钛作为的负极材料的研究还尚未深入。然而，该材料在上述两种体系中电化学性能均不理想。在有机体系中，纯的焦磷酸钛存在容量与循环寿命的矛盾，通过一定方法合成的焦磷酸钛容量可达100mAh/g，然而循环寿命只有十几周；通过控制颗粒大小的方法合成纳米级别的焦磷酸钛的容量只有60mAh/g，而循环寿命可以达到数百周。与有机体系相似的是，在水体系中纯的焦磷酸钛容量低并且循环寿命很差。

目前对该材料的改性研究主要围绕其作为有机系锂电池负极材料进行的。其中较出色的研究是在合成焦磷酸钛的原料中混入石墨烯，从而合成焦磷酸钛—石墨烯材料，该材料稳定容量可达300mAh/g，但其放电电压较高（大于1.0V），不适合作为有机系锂电池的负极材料而且循环寿命也未有太大改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有良好锂离子电池特性的新型焦磷酸钛类电极材料及其制备方法，为锂离子电池的应用提供电极材料的选择，解决了现有技术中焦磷酸钛电极材料循环寿命很差的问题。

为解决上述技术问题本发明采用的技术方案是：一种高性能锂离子电池的电极材料，所述材料为嵌入化合物碳包覆的C-Fe_xTiP₂O_7+x，是一种三维结构的快离子导体电极材料。

所述的材料中碳质量分数为1%-10%，x取值范围为0.04-0.4，其余成分为TiP₂O₇。

上述高性能锂离子电池的电极材料制备方法，步骤如下：

称取TiP₂O₇和铁源材料并混合均匀，然后加入碳源水溶液，在40℃连续加热搅拌直至混合物干燥，最后将上述混合物于氮气气氛下700℃煅烧1小时，即得碳包覆的C-Fe_xTiP₂O_7+x。

步骤（2）所述的碳源为蔗糖、淀粉、葡萄糖、聚乙烯醇或聚乙烯吡咯烷酮。

步骤（2）所述的铁源为草酸亚铁（FeC₂O₄·2H₂O）、醋酸亚铁（Fe(C₂H₃O₂)₂）、柠檬酸亚铁、碳酸亚铁（FeCO₃）或铁的氧化物等。

步骤（2）所述的碳源水溶液中碳源质量分数为0.25%-2.4%。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的电极材料在水系锂电池中的充放电性能由扣式电池测定，该电池由正极膜、负极膜﹑介于两者之间的隔膜及含有阴阳离子并具有离子导电性的电解质构成。其中，所述正极膜采用锂离子可嵌入和脱出的嵌入化合物LiMn₂O₄；负极膜采用碳包覆嵌入化合物C-Fe_xTiP₂O_7+x，材料中含碳量1%-10%，x取值范围为0.04-0.4；所述阴阳离子电解质中，阳离子为含有锂离子的水溶性盐。负极膜采用碳包覆嵌入化合物C-Fe_xTiP₂O_7+x作负极，碳包覆层可降低TiP₂O₇的衰减；掺入的氧化亚铁不仅可以提高材料的倍率容量以及倍率性能，而且可以提高TiP₂O₇的结构稳定性，进而保证整个电池体系的循环性能。在充放电过程中只涉及一种离子在两电极间的转移，制作工艺比有机体系锂离子电池大大简化。降低了锂离子电池的成本，提高了锂离子电池的安全性。该新型水系可充锂离子电池的平均工作电压为1.4V，并且具有长的循环寿命，克服了以往专利中水系锂离子电池的循环性差的问题。

新型水系可充锂离子电池有长的循环寿命，并具有较大功率﹑安全﹑低成本和无环境污染的特点，特别适合于做为电动的汽车的理想动力电池。