一种快充锂离子电池负极材料的制备方法及应用

一种快充锂离子电池负极材料的制备方法及应用

随着全球对新能源汽车需求的不断增加，锂离子电池的快充技术成为推动电动汽车普及的关键。本文介绍了一种新型快充锂离子电池负极材料的制备方法，通过创新性地合成FeNb₁₁O₂₉电极材料，实现了在大电流下的长循环性能。

背景技术

1. 全球石油能源的大幅消耗使得环境污染日益严重，因此全球正在推行绿色新能源汽车。相对于传统燃油汽车，由锂离子电池驱动的新能源电车具有环保、无污染且经济的充电成本等优势。但是较长的充电时间成为了市场潜在用户的一大顾虑，直接影响了电车的市场接受度。因此，开发可以缩短充电时间的锂离子电池快充技术，已成为满足市场需求和推动电动汽车普及的关键。

2. 锂离子快充负极目前以商用的石墨负极为主，但是石墨的工作电位较低，约为0.08V vs Li+/Li，可能导致电解液分解、电极产生裂纹以及镀锂等现象，从而使得电池的循环稳定性、倍率性能降低和一系列安全问题。而铌基氧化物的工作电位较高(＞1V vs Li+/Li)，可解决镀锂而产生的安全问题；在高安全的基础上，由于铌元素具有良好的氧化还原性，FeNb₁₁O₂₉材料可获得高达400mAh/g的理论比容量。并且铌基材料的Wadsely-Roth结构(一种晶体结构)稳定，可以促进离子稳定和快速的输运。但是目前对FeNb₁₁O₂₉的研究还未达到其应该发挥的潜力。

3. 目前对FeNb₁₁O₂₉的合成方法有球磨煅烧法、静电纺丝法和溶液燃烧法。球磨煅烧法需要长时间的研磨，在研磨过程中可能会导致结构变化或损坏，同时得到的粉末颗粒不够均匀，难以控制颗粒的尺寸和形态；球磨过程中，材料处在开放体系，可能会使得样品与空气中的物质反应。静电纺丝法需要特定的设备，包括高压电源和纺丝装置，这可能比加热溶剂的设备成本更高，通常用于制备纤维状或薄膜状材料，其产量较低；同时制备出的样品和形态控制不精确，规模化生产也不宜实现。溶液燃烧法一般需要在溶液混合后加热到较高的反应温度，可能导致某些热敏性材料的分解或结构变化；在反应过程中可能会产生大量的气体，获得的材料可能需要后续繁杂的纯化步骤。

技术实现思路

1. 为了解决上述问题，本发明提出了一种快充锂离子电池负极材料的制备方法。

2. 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3. 一种快充锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

4. 将2g的对苯二甲酸(PTA)溶于80ml N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，搅拌至完全溶解，再向其中加入4.0mmol五氯化铌和1.6mmol-2.0mmol六水合三氯化铁，再次搅拌至完全溶解，得到中间产物，将中间产物移入烘箱并且在200℃保温，然后将烘箱的中间产物离心，得到沉淀，用乙醇洗涤沉淀并且在60℃的烘箱中干燥，得到干燥粉末，将干燥粉末在空气的气氛和800℃煅烧，即可得到成品FeNb₁₁O₂₉粉末颗粒。本发明通过溶剂热的方法合成前驱体，对前驱体进行煅烧，生成有机碳壳，有机碳壳可以加快电子传导，本发明中的六水合氯化铁可以换为其他铁源，如硝酸铁、六水合硝酸铁等，本发明中也可将铁源的量变少，称为五氧化二铌掺杂Fe。

5. 作为本发明进一步的方案：搅拌的时间为0.8-1.5h。

6. 作为本发明进一步的方案：中间产物在移入烘箱之前倒入100ml的聚四氟乙烯内衬中。

7. 作为本发明进一步的方案：200℃保温的时间为10-14h，60℃干燥的时间为8-12h。

8. 作为本发明进一步的方案：离心的速率为3000-4500rpm，离心的时间为20-30min。

9. 作为本发明进一步的方案：乙醇洗涤的次数为四次。

10. 本发明还给出了用上述制备方法得到的成品在制备锂离子电池负极中的应用。

11. 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用加入Fe源，Fe原子替代少量Nb原子，创新性合成FeNb₁₁O₂₉电极材料；合成的FeNb₁₁O₂₉可用于锂离子电池，进行快速充放电，30A/g的大电流下，仍可长循环；本发明的方法操作简单，且采用的铁盐成本低，对环境友好，易于大规模生产。

技术特征

1. 一种快充锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2. 根据权利要求1所述的快充锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，搅拌的时间为0.8-1.5h。

3. 根据权利要求1或2所述的快充锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述中间产物在移入烘箱之前倒入100ml的聚四氟乙烯内衬中。

4. 根据权利要求1所述的快充锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述200℃保温的时间为10-14h，60℃干燥的时间为8-12h。

5. 根据权利要求1所述的快充锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，所述离心的速率为3000-4500rpm，离心的时间为20-30min。

6. 根据权利要求1所述的快充锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于，乙醇洗涤的次数为四次。

7. 一种如权利要求1-6任一所述的快充锂离子电池负极材料的制备方法得到的成品在制备锂离子电池负极中的应用。

技术总结

本发明涉及锂离子电池领域，具体是一种快充锂离子电池负极材料的制备方法及应用，制备方法包括以下步骤：将PTA溶于DMF中，搅拌至完全溶解，再向其中加入五氯化铌和六水合三氯化铁，再次搅拌至完全溶解，得到中间产物，将中间产物移入烘箱并在200℃保温，将烘箱的中间产物离心，得到沉淀，用乙醇洗涤沉淀并且在60℃的烘箱中干燥，得到干燥粉末，将干燥粉末在空气的气氛和800℃煅烧，即可得到成品。本发明采用加入Fe源，Fe原子替代少量Nb原子，创新性合成FeNb₁₁O₂₉电极材料；合成的FeNb₁₁O₂₉可用于锂离子电池，进行快速充放电，30A/g的大电流下，仍可长循环；本发明的方法操作简单，且采用的铁盐成本低，对环境友好，易于大规模生产。

技术研发人员：张伟,魏奥飞,董韬文,郑伟涛
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/27