一种钠离子电池的NiTiO3/C负极材料、制备及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种钠离子电池的NiTiO3/C负极材料，为由包覆有碳的钛酸镍纳米颗粒组装而成的微球状颗粒。此外，本发明专利技术还公开了该材料的制备方法，将有机酸、钛源、镍源和分散性碳源溶解和/或分散在溶剂中并搅拌反应得混合液；再将混合液喷雾干燥得前驱体的纳米颗粒，随后再经煅烧处理制得所述的NiTiO3/C负极材料。本发明专利技术还公开了该材料在制备钠离子电池负极的应用。本发明专利技术所述的NiTiO3/C负极材料具有优良的电化学性能；采用喷雾干燥法结合高温热处理制备出的NiTiO3/C负极材料，加工性好，振实密度高，且该制备方法工艺简单，生产效率高，生产能力大，成本低廉，极具工业化生产应用潜力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钠离子电池负极材料制备领域，具体涉及一种钛酸镍与碳的复合材料及其制备方法及应用。
技术介绍
锂离子电池由于具有高比容量、高能量密度而广泛应用于便携式电子设备和离子电池在大型储能系统领域的推广应用。钠离子电池被视为锂离子电池的有效替代品已经成为国内外研究热点。钠具有和锂相近的物理化学性质，且钠资源在地壳中的储量相当可观(锂的地壳丰度为0.006％，钠的地壳丰度为2.64％)，因而在成本上具有很大的优势，这也使得钠离子电池成为一种最具潜力的可用于大规模储能商业化应用的电池体系。钠离子的离子半径(1.02nm)也比锂离子半径(0.76nm)大55％，传统的碳负极如石墨不能实现钠离子的可逆脱嵌，因此寻找合适的钠离子电池负极材料成为钠离子电池推广应用的关键一步。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种分散性好，无团聚，形状均匀的NiTiO3/C负极材料(本专利技术中也称为NiTiO3/C负极复合材料或简称为负极材料)。本专利技术的另一目的在于提供一种重复性好、可操作性强、环境友好、成本低廉，具有广阔的工业化应用前景的一步喷雾干燥方法制备钠离子电池用NiTiO3/C负极材料的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供一种应用于钠离子电池中具有高充放电比容量、良好倍率性能和循环稳定性能的含上述NiTiO3/C负极材料的负极。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种钠离子电池的NiTiO3/C负极材料，为由包覆有碳的钛酸镍纳米颗粒组装而成的微球状颗粒。本专利技术所述的NiTiO3/C负极材料，由包覆有碳源的NiTiO3的纳米颗粒经煅烧处理自组装成的微球状结构，所述NiTiO3/C的物料及结构特性的负极材料具有良好的电学性能。作为优选，所述的钠离子电池的NiTiO3/C负极材料，所述的微球状颗粒粒径为0.5～3微米；比表面积为30～200m2g-1。进一步优选，所述的NiTiO3/C负极材料中，NiTiO3的质量分数为90％～95％。本专利技术还提供了一种所述的NiTiO3/C负极材料的制备方法，由镍源、钛镍、有机酸、分散性碳源经喷雾干燥、煅烧而成。作为优选，所述的钠离子电池的NiTiO3/C负极材料的制备方法，将有机酸、钛源、镍源和分散性碳源溶解和/或分散在溶剂中并搅拌反应得混合液；再将混合液喷雾干燥得前驱体的纳米颗粒，随后再经煅烧处理制得所述的NiTiO3/C负极材料。本专利技术所述的制备方法中，通过所述的喷雾干燥有助于制得所述的分散性碳源包覆钛酸镍内核结构的前驱体纳米颗粒(一次纳米颗粒)；随后再经煅烧处理，进而使所述的一次纳米颗粒自组装成所述的微球状(微米级球型或类球型结构)的NiTiO3/C负极材料。本专利技术方法中，在所述的喷雾干燥过程并结合所述参数条件下的热处理，可制得形貌为由表面包覆碳的一次纳米颗粒自组装形成的微球状颗粒的NiTiO3/C负极材料，进而改善材料结构和导电性。本专利技术方法，有助于减少团聚，球形度高且粒径可控。本专利技术方法加工性好，振实密度高，工艺简单、效率高、产量大，有利于工业化大规模生产，具有广泛应用前景；且制得的NiTiO3/C负极材料具有高充放电比容量以及良好的循环稳定性。本专利技术人发现，通过调控喷雾干燥过程的参数范围有助于制得具有均一形貌的前驱体，进而有助于进一步改善煅烧产物的电学性能。作为优选，喷雾干燥过程的入口风温为160～200℃，混合液的流量为400～600mL/h。在所述优选的喷雾干燥条件下，有助于制得具有较高纯度和特定形貌的钛酸镍材料，且可进一步提升最终制得的NiTiO3/C负极材料的电学性能。进一步优选，喷雾干燥过程的入口风温为170～190℃，混合液的流量为450～550mL/h。最优选，喷雾干燥过程的入口风温为170～180℃，混合液的流量为500～550mL/h。配合所述的喷雾干燥参数，作为优选，煅烧过程的温度为600～900℃。本专利技术人发现，在所述的煅烧条件下，制得的材料的电学性能更优异。进一步优选，煅烧过程的温度为800～900℃。在所述优选的煅烧温度下有助于制得形貌均一、电学性能优异的NiTiO3/C负极材料。煅烧过程的升温速率优选为1～10℃/min。煅烧过程在保护性气氛下进行，所述的保护性气氛例如可为氮气氛围、或惰性气体氛围(例如氩气氛围)。作为优选，在所述的煅烧温度下，保温时间为8～12h。本专利技术所述的分散性碳源不仅作为分散剂，还同时作为碳源；现有的具有分散性能的水溶性有机碳源理论上均可采用。进一步优选，所述的分散性碳源为聚乙二醇、聚苯乙烯、苯乙醇中的至少一种。作为优选，所述的分散性碳源为聚乙二醇，优选的聚乙二醇的分子量小于或等于700。所述的分散性碳源和钛源的体积比为1∶2～16；优选为1∶4～8。钛源、镍源、有机酸及分散性碳源的投加比例关系以保证所制得的NiTiO3/C负极材料中，NiTiO3的质量分数优选在90％～95％之间。作为优选，所述的镍源为水溶性的镍化合物及其水合物。本领域技术人员所熟知的可水溶性的无机镍化合物及其水合物均可用作镍源。作为优选，所述的镍源为四水醋酸镍、二水草酸镍、乙酰丙酮镍中的至少一种。进一步优选，所述的镍源为带有结晶水的水溶性的镍化合物。最优选，所述的镍源为四水醋酸镍、二水草酸镍。本专利技术中，所述的钛源可为本领域技术人员所熟知的可溶解于水或醇溶液中的钛有机化合物。作为优选，所述的钛源为钛酸四丁酯、钛酸四乙酯、钛酸异丙酯的至少一种；进一步优选为钛酸四丁酯。本专利技术中，钛源的Ti4+和镍源的Ni2+的摩尔比为1∶1。本专利技术中，添加所述的有机酸，有助于进一步制得形貌均一的前驱体纳米材料。所述的有机酸优选为甲酸、醋酸、草酸中的至少一种。更进一步优选，所述的有机酸为醋酸。作为优选，有机酸和钛源的体积比为0.04～0.06∶0.15～0.35。本专利技术中，作为优选，所述的溶剂为水、C1～4醇中的至少一种。所述的C1～4醇为1～4碳数的单元和/或多元醇，例如甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等。进一步优选，所述的溶剂为水、乙醇中的至少一种。本专利技术中，采用所优选的溶剂对所述的物料进行溶解和/或分散，搅拌反应制得较为澄清的混合液；随后再经喷雾干燥、煅烧处理。钛源、镍源、有机酸及分散性碳源混合搅拌反应2～4h得混合液。在所述体系下搅拌反应所优选的时间，有助于物料的相互充分反应，进而有助于制得纯度较高且具有特定的钛酸镍前驱体。本专利技术中，优先将所述的各物料进行单独溶解，再混合喷雾干燥。作为优选，将有机酸、钛源分散在溶剂a中得溶液A；将镍源溶解于水中得溶液B；将分散性碳源溶解于溶剂b中得溶液C；然后将溶液A、溶液B、溶液C混合，搅拌反应得到所述的混合液；所述的溶剂a和溶剂b独自选自C1～4醇。进一步优选，溶液A中有机酸与溶剂a的体积比为1∶15～25；钛源与溶剂a的体积比为1∶3～6；更为优选，所述的有机酸为醋酸，溶剂a为乙醇。进一步优选，溶液B中，镍源的浓度为0.05～0.2g/mL；更优选为0.05～0.15g/mL。进一步优选，溶液C中，分散性碳源与溶剂b的体积比为1∶50～150；更优选，溶剂b为乙醇。本专利技术中，一种更为优选的NiTiO3/C负极材料的制备方法，包括以下步骤：步骤(a)：将醋酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钠离子电池的NiTiO3/C负极材料，其特征在于，为由包覆有碳的钛酸镍纳米颗粒组装而成的微球状颗粒。

【技术特征摘要】
1.一种钠离子电池的NiTiO3/C负极材料，其特征在于，为由包覆有碳的钛酸镍纳米颗粒组装而成的微球状颗粒。2.如权利要求1所述的钠离子电池的NiTiO3/C负极材料，其特征在于，所述的微球状颗粒粒径为0.5～3微米；比表面积为30～200m2g-1。3.一种权利要求1或2所述的钠离子电池的NiTiO3/C负极材料的制备方法，其特征在于，将有机酸、钛源、镍源和分散性碳源溶解和/或分散在溶剂中并搅拌反应得混合液；再将混合液喷雾干燥得前驱体的纳米颗粒，随后再经煅烧处理制得所述的NiTiO3/C负极材料。4.如权利要求1所述的钠离子电池的NiTiO3/C负极材料的制备方法，其特征在于，所述的分散性碳源为聚乙二醇、聚苯乙烯、苯乙醇中的至少一种；所述有机酸为甲酸、醋酸、草酸中的至少一种。5.如权利要求1所述的钠离子电池的NiTiO3/C负极材料的制备方法，其特征在于，喷雾干燥过程的入口风温为160～200℃，混合液的流量为400～600mL/h。6.如权利要求5所述的钠离子电池的NiTiO3/C负极材料的制备方法，其特征在于，煅烧过程的温度为600～900℃；保...

【专利技术属性】
技术研发人员：张治安，李煌旭，宋俊肖，李军明，陈晓彬，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43