一种梯度Ti掺杂修饰Fe2O3作为锂离子电池负极的方法

本发明属于材料领域，特别涉及一种梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极的方法。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、环境恶化和能源危机，促使世界各国更加关心能源安全和环境保护。可再生能源的使用，是缓解化石能源污染，减少温室气体排放的重要方法。但是，风能、太阳能、潮汐能等新型可再生能源受限于时间和空间上的分布不平衡。安全有效的大型储能设备的开发使用成为缓解能源问题的关键所在。同时，新能源汽车续航里程，关键依赖于高性能储能电池的发展。

3、然而，锂离子电池，作为目前最具潜力的二次储能电池，仍然远不能满足大规模储能和大型移动终端设备的需求。开发新一代锂离子电池的关键，在于高性能电极材料的开发和使用。当前，商业锂离子电池，采用理论容量较低倍率性能差的石墨作为负极。

4、转换型fe2o3负极，具有理论容量高、环境友好和价格低廉等优势，成为新一代锂离子电池负极的有力竞争者。但是，fe2o3拥有较低的电导率，循环过程中体积变化较大，制约了其进一步应用。当前，解决上述问题的方法主要包括减少颗粒尺寸、碳包覆和异质原子掺杂。其中减小颗粒尺寸，可以有效缩短锂离子扩散路径提高离子扩散动力学。但是，纳米材料的制备，往往伴随着加工成本高、体积能量密度差和制备过程复杂等问题。因此，制备保有纳米材料性质的微米级电极材料成为商业应用的关键。此外，碳包覆虽然能够有效提高电极材料的电导率，但是往往会折损部分能量密度。

5、专利cn115057471a公开了一种锂离子电池负极材料及其制备方法，通过碳球作为模板，通过滴加氨水使得ti4+和sn4+快速共沉淀到碳球表面，在热处理后获得空心结构。空心结构虽然能提供较大的比表面积，但是往往制备复杂，加工困难，损害质量能量密度，并且容易发生副反应。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明旨在通过制备一种ti梯度浓度掺杂fe2o3获得具有纳米材料性能的微米级电极材料,用作锂离子电池负极材料。ti修饰重构的材料表面，提高活性组分亲锂特性提高锂离子扩散动力学。同时，作为不等价原子替换，ti掺杂可以通过离子和电子补偿机制共同调制电子结构。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本发明的第一个方面，提供了一种梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极的方法，包括：

4、将葡萄糖溶液在160～180℃下反应4～6h，冷却后，固液分离，洗涤，将获得的沉淀在60～70℃下干燥10～12h，得到碳基质模板；

5、将所述碳模板基质分散到无水乙醇中，形成悬浊液；

6、随后向所述悬浊液中添加硝酸铁和钛酸四丁酯，设定fe3+的浓度为2.5～2.8m，ti的占比为5～8％，持续搅拌2～4h，收集干燥，得到前驱体；

7、将所述前驱体进行热处理，即得。

8、异质原子掺杂及其电荷补偿机制是调制电极材料的重要方式之一，本发明发现：ti梯度浓度掺杂fe2o3修饰表面结构获得了具有纳米材料性能的微米级电极材料，有效地提升了其性能。

9、本发明的第二个方面，提供了上述的方法制备的梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极。

10、本发明的第三个方面，提供了上述的梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极在制备储能电池、新能源汽车、大型移动终端设备中的应用。

11、本发明的有益效果

12、(1)本发明制备了一种ti梯度浓度掺杂的fe2o3电极，作为锂离子电池负极在1a/g电流密度下循环1200次后仍能保持1001.9mah/g的可逆比容量，未掺杂fe2o3在1a/g电流电流密度下循环1200次仅能维持503.9mah/g的比容量。

13、(2)与专利cn115057471a相比，本申请中，fe3+和ti4+离子通过静电吸附作用吸附到碳基质，在酒精较低的表面张力下缓慢浸润到碳基质内部，获得实心纳米颗粒，如图3所示。制备的实心纳米颗粒，能够尽可能避免质量能量密度的折损，而且还保留了与纳米材料相当的电化学性质，更加接近实际应用。

14、(3)普通的掺杂是均匀分布在fe2o3晶体结构，本发明中梯度是指，由材料表面到内部ti的掺杂浓度不同(由表面到体相逐渐减小)。本发明利用fe3+和ti4+的浓度差异，在浸润碳颗粒时浓度大的fe3+能够充分浸润整个基质，浓度小的ti4+只能浸润表面的数十个纳米，从而形成梯度掺杂，有效地提升了电极材料的可逆比容量和循环性能。

15、(4)本发明制备方法简单、实用性强，易于推广。

技术特征：

1.一种梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极的方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极的方法，其特征在于，所述葡萄糖溶液的浓度为0.5～0.6m。

3.如权利要求1所述的梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极的方法，其特征在于，所述葡萄糖溶液的溶剂为去离子水。

4.如权利要求1所述的梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极的方法，其特征在于，所述葡萄糖溶液在聚四氟乙烯内衬的反应釜中进行反应。

5.如权利要求1所述的梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极的方法，其特征在于，所述固液分离的方式为离心。

6.如权利要求1所述的梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极的方法，其特征在于，制备碳模板基质时，用酒精和水洗涤，制备ti掺杂样品时，用酒精洗涤。

7.如权利要求1所述的梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极的方法，其特征在于，所述悬浊液的浓度为20～30mg/ml。

8.如权利要求1所述的梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极的方法，其特征在于，所述热处理的条件为：空气中，于550～600℃下热处理1～1.5h。

9.权利要求1-8任一项所述的方法制备的梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极。

10.权利要求9所述的梯度ti掺杂修饰fe2o3作为锂离子电池负极在制备储能电池、新能源汽车、大型移动终端设备中的应用。

技术总结
本发明属于材料领域，提供了一种梯度Ti掺杂修饰Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;作为锂离子电池负极的方法，包括：将葡萄糖溶液在160～180℃下反应4～6h，冷却后，固液分离，洗涤，将获得的沉淀在60～70℃下干燥10～12h，得到碳基质模板；将所述碳模板基质分散到无水乙醇中，形成悬浊液；随后向所述悬浊液中添加硝酸铁和钛酸四丁酯，设定Fe<supgt;3+</supgt;的浓度为2.5～2.8M，Ti的占比为5～8％，持续搅拌2～4h，收集干燥，得到前驱体；将所述前驱体进行热处理，即得。作为锂离子电池负极在1A/g电流密度下循环1200次后仍能保持1001.9mAh/g的可逆比容量，未掺杂Fe<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;在1A/g电流电流密度下循环1200次仅能维持503.9mAh/g的比容量。

技术研发人员：张伟彬,刘欢,李娜
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12