锂离子电池用纳米锐钛矿二氧化钛负极材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于锂离子电池技术领域，公开了一种锂离子电池用纳米锐钛矿二氧化钛负极材料及其制备方法。该方法是将钛源加入到溶剂中，再加入一定量的去离子水，混合搅拌至均匀后，进行水热反应；将所得沉淀分离、洗涤、干燥、研磨后，于高温下煅烧得到最终产物。采取本发明专利技术的方法，能够简单、低成本的制备出纯度高、颗粒尺寸小的纳米锐钛矿二氧化钛。将其用作负极材料时，表现出良好的循环和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
锂离子电池用纳米锐钛矿二氧化钛负极材料及其制备方法
本专利技术涉及一种锂离子电池用纳米锐钛矿二氧化钛负极材料及其制备方法，属于锂离子电池

技术介绍
锂离子电池之所以得到普及，是因为具有优异的循环性能和高能量密度等优点。就目前而言，石墨依然是商用锂离子电池负极材料的主要原料。然而，在具有优点的同时，它也有一定的缺陷。例如，随着充放电过程中Li+的嵌入和脱出，会在石墨表面形成锂枝晶，长时间积聚会刺穿隔膜、造成电池内部短路，存在安全隐患。二氧化钛（TiO2）拥有四种常见的晶型：板钛矿、锐钛矿、金红石和TiO2-B，且都含有TiO6八面体。其中，锐钛矿TiO2是已知对锂离子的嵌入和脱出最具电活性的结构。同时，放电~1.75V、充电~2V的高工作电压平台，不会在其表面产生锂枝晶和固体电解质界面（SEI）膜，而且成本低、环境友好，可以作为石墨的候选材料。另外，TiO2在充放电过程中的体积变化仅约4%，即Li+在材料内部的嵌入和脱出所导致的体积变化很小，循环性能优异。然而，与石墨相比，其理论容量低（335mAh/g，每1molTiO2嵌入1molLi+）。研究表明，在Li+嵌入过程中，材料中的锐钛矿TiO2主体（微晶）相自发分离为富锂相和贫锂相。两相平衡一直维持，直到Li+嵌入完成，所有的贫锂相转变为富锂相；Li+的脱出行为也相同。过程中可循环的Li+约为0.5mol。因此，锐钛矿TiO2对应的实际可循环容量更低（仅为167.5mAh/g），而且有着较低的导电性和Li+扩散系数。减小材料的颗粒尺寸，能够使其电化学性能得到提高。纳米材料的特点是尺寸小和比表面积大，作为电极材料可以缩短Li+的扩散路径、充分接触电解液，最终发挥出更优的电化学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是以简单、低成本的途径，提供一种锂离子电池用纳米锐钛矿二氧化钛负极材料及其制备方法，所得材料具有良好的循环和倍率性能。按照本专利技术的技术方案，所述锂离子电池用纳米锐钛矿二氧化钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：（1）混合搅拌，将溶剂置于烧杯中，磁力搅拌条件下，加入钛源，待搅拌均匀后加入去离子水，再持续搅拌25-35min；（2）水热反应，将（1）中得到混合溶液转移至涂有不沾内衬的不锈钢水热反应釜中，置于烘箱中进行水热反应；（3）分离、洗涤、干燥、研磨，水热反应后的混合液冷却至室温后，将所得产物进行离心分离、水洗、醇洗以及70-90°C干燥11-13h后进行研磨；（4）高温煅烧，产物研磨完成后，置于马弗炉中，以4-6°C/min的升温速率在空气中进行高温煅烧，冷却至室温后得到最终产物，即纳米锐钛矿二氧化钛。进一步的，所述步骤（1）中的溶剂为无水乙醇。进一步的，所述步骤（1）中的钛源为钛酸四正丁酯。进一步的，所述步骤（1）中钛源与溶剂的体积比为1:4-6。进一步的，所述步骤（1）中钛源与去离子水的体积比为1:0.8-1.2。进一步的，所述步骤（2）中水热反应条件为120-180°C、8-16h。进一步的，所述步骤（2）中的不沾内衬为聚四氟乙烯。进一步的，所述步骤（4）中煅烧温度为400-500°C、时间为3-5h。本专利技术的另一个目的在于提供一种上述方法制备得到的锂离子电池用纳米锐钛矿二氧化钛负极材料。本专利技术的有益效果在于：制备方法操作简单、无毒、环境友好、成本低；制备的材料拥有锐钛矿TiO2的I41/amd空间群结构，具备纳米级别的颗粒状形貌，且分布均匀；同时其材料在测试中展现出良好的循环和倍率性能。附图说明图1为本专利技术制备方法的操作流程图。图2为锐钛矿TiO2材料的XRD图。图3为锐钛矿TiO2材料的SEM图。图4为锐钛矿TiO2材料在室温下的前三次充放电曲线。图5为锐钛矿TiO2材料的循环性能图。图6为锐钛矿TiO2材料的倍率性能图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步说明。实施例一（1）量取50mL的无水乙醇于烧杯中，磁力搅拌条件下，量取10mL钛酸四正丁酯加入其中，待搅拌均匀后加入10mL的去离子水，并持续搅拌30min；（2）将（1）中得到的混合溶液转移至100mL涂有聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中，置于烘箱中进行水热反应，条件为120°C、12h；（3）冷却至室温后，将所得产物进行离心分离、水洗、醇洗以及80°C干燥12h，之后进行研磨；（4）研磨完成后，置于马弗炉中，以5°C/min的升温速率在空气气氛中进行高温煅烧，条件为450°C、4h。冷却至室温后得到最终产物，即纳米锐钛矿二氧化钛。实施例二（1）量取40mL的无水乙醇于烧杯中，磁力搅拌条件下，量取10mL钛酸四正丁酯加入其中，待搅拌均匀后加入12mL的去离子水，并持续搅拌25min；（2）将（1）中得到的混合溶液转移至100mL涂有聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中，置于烘箱中进行水热反应，条件为120°C、12h；（3）冷却至室温后，将所得产物进行离心分离、水洗、醇洗以及80°C干燥12h，之后进行研磨；（4）研磨完成后，置于马弗炉中，以5°C/min的升温速率在空气气氛中进行高温煅烧，条件为450°C、4h。冷却至室温后得到最终产物，即纳米锐钛矿二氧化钛。实施例三（1）量取60mL的无水乙醇于烧杯中，磁力搅拌条件下，量取10mL钛酸四正丁酯加入其中，待搅拌均匀后加入8mL的去离子水，并持续搅拌35min；（2）将（1）中得到的混合溶液转移至100mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中，置于烘箱中进行水热反应，条件为120°C、12h；（3）冷却至室温后，将所得产物进行离心分离、水洗、醇洗以及80°C干燥12h，之后进行研磨；（4）研磨完成后，置于马弗炉中，以5°C/min的升温速率在空气气氛中进行高温煅烧，条件为450°C、4h。冷却至室温后得到最终产物，即纳米锐钛矿二氧化钛。实施例四（1）量取50mL的无水乙醇于烧杯中，磁力搅拌条件下，量取10mL钛酸四正丁酯加入其中，待搅拌均匀后加入10mL的去离子水，并持续搅拌30min；（2）将（1）中得到的混合溶液转移至100mL涂有聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中，置于烘箱中进行水热反应，条件为180°C、8h；（3）冷却至室温后，将所得产物进行离心分离、水洗、醇洗以及80°C干燥12h，之后进行研磨；（4）研磨完成后，置于马弗炉中，以5°C/min的升温速率在空气气氛中进行高温煅烧，条件为450°C、4h。冷却至室温后得到最终产物，即纳米锐钛矿二氧化钛。实施例五（1）量取50mL的无水乙醇于烧杯中，磁力搅拌条件下，量取10mL钛酸四正丁酯加入其中，待搅拌均匀后加入10mL的去离子水，并持续搅拌30min；（2）将（1）中得到的混合溶液转移至100mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中，置于烘箱中进行水热反应，条件为150°C、16h；（3）冷却至室温后，将所得产物进行离心分离、水洗、醇洗以及80°C干燥12h，之后进行研磨；（4）研磨完成后，置于马弗炉中，以5°C/min的升温速率在空气气氛中进行高温煅烧，条件为450°C、5h。冷却至室温后得到最终产物，即纳米锐钛矿二氧化钛。实施例六（1）量取50mL的无水乙醇于烧杯中，磁力搅拌条件下，量取10mL钛酸四正丁酯加入其中，待搅拌均匀后加入10mL的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.锂离子电池用纳米锐钛矿二氧化钛负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）混合搅拌，将溶剂置于烧杯中，磁力搅拌条件下，加入钛源，待搅拌均匀后加入去离子水，再持续搅拌25‑35min；（2）水热反应，将（1）中得到混合溶液转移至涂有不沾内衬的不锈钢水热反应釜中，置于烘箱中进行水热反应；（3）分离、洗涤、干燥、研磨，水热反应后的混合液冷却至室温后，将所得产物进行离心分离、水洗、醇洗以及70‑90°C干燥11‑13h后进行研磨；（4）高温煅烧，产物研磨完成后，置于马弗炉中，以4‑6°C/min的升温速率在空气中进行高温煅烧，冷却至室温后得到最终产物，即纳米锐钛矿二氧化钛。

【技术特征摘要】
1.锂离子电池用纳米锐钛矿二氧化钛负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）混合搅拌，将溶剂置于烧杯中，磁力搅拌条件下，加入钛源，待搅拌均匀后加入去离子水，再持续搅拌25-35min；（2）水热反应，将（1）中得到混合溶液转移至涂有不沾内衬的不锈钢水热反应釜中，置于烘箱中进行水热反应；（3）分离、洗涤、干燥、研磨，水热反应后的混合液冷却至室温后，将所得产物进行离心分离、水洗、醇洗以及70-90°C干燥11-13h后进行研磨；（4）高温煅烧，产物研磨完成后，置于马弗炉中，以4-6°C/min的升温速率在空气中进行高温煅烧，冷却至室温后得到最终产物，即纳米锐钛矿二氧化钛。2.如权利要求1所述的锂离子电池用纳米锐钛矿二氧化钛负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的溶剂为无水乙醇。3.如权利要求1所述的锂离子电池用纳米锐钛矿二氧化钛负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海朗，张二卫，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32