氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氧空位和碳包覆调节的钛铌氧(Ti2Nb10O29‑x)/碳复合材料及其制备方法和应用，通过水热法和高温烧结方法，制备Ti2Nb10O29，最后通过在乙炔中高温烧结获得Ti2Nb10O29‑x@C目标产物，目标产物具有较大的比表面积，Ti2Nb10O29‑x@C纳米颗粒能增大电解液与电极的接触面积，提供更大更有效的活性反应面积，同时，加快了电子传导速率，提高了电化学性能。本发明专利技术Ti2Nb10O29‑x@C材料具有高循环寿命、高能量和功率密度特点，特别适合作为锂离子电池负极材料，在移动通讯、电动汽车、太阳能发电和航空航天等领域具有广阔的应用前景。

Titanium-Niobium-Oxygen/Carbon Composites Regulated by Oxygen Vacancy and Carbon Coating and Their Preparation and Application

The invention discloses an oxygen vacancy and carbon-coated Ti2Nb10O29_x/carbon composite material and its preparation method and application. Ti2Nb10O29 is prepared by hydrothermal method and high temperature sintering method. Finally, the target product Ti2Nb10O29_x@C is obtained by high temperature sintering in acetylene. The target product has a large specific surface area. Ti2Nb10O29_x@C nanoparticles can increase electrolyte and electrolyte. The contact area of the electrodes provides a larger and more effective active reaction area. At the same time, it speeds up the electron conduction rate and improves the electrochemical performance. The Ti2Nb10029_x@C material of the invention has the characteristics of high cycle life, high energy and power density, is especially suitable for being used as the negative electrode material of lithium ion batteries, and has broad application prospects in the fields of mobile communications, electric vehicles, solar power generation and aerospace.

【技术实现步骤摘要】
氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及锂离子电池负极材料领域，具体涉及一种氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料及其制备方法和应用。
技术介绍
电子产品消费市场的迅速扩大使得对于高性能、高稳定电池材料的需求大大增加。铌酸钛储锂材料具有好的储锂结构，从而决定了其拥有好的电化学性能。目前主要使用的负极材料包括石墨和钛酸锂等，但都存在着严重的问题，石墨由于其低的电压平台容易形成SEI(SolidElectrolyteInterphase，固体电解质界面)膜造成锂枝晶，可能引起爆炸，而钛酸锂虽因电压平台较高而不会生成SEI膜，但其低理论容量(175mAhg-1)使得储能表现不够理想。与这些常见的负极材料相比较，铌酸钛化合物具有更大的理论容量和相对安全稳定性。但铌酸钛化合物同样存在着一些缺点，比如其电子电导率低、锂离子扩散系数较小等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对目前安全性能不高的石墨和理论容量较低的钛酸锂锂离子电池负极材料，提供一种氧空位和碳包覆调节的钛铌氧(Ti2Nb10O29-x)/碳复合材料及其制备方法和应用，该Ti2Nb10O29-x@C电极材料兼具有高功率密度，高能量密度，以及高安全稳定性。一种氧空位和碳包覆调节的钛铌氧(Ti2Nb10O29-x)/碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：1)将五氯化铌和钛酸异丙酯溶于无水乙醇溶液，搅拌混合均匀形成混合溶液，加入到聚四氟乙烯高压釜中，密封并加热，水热温度为140℃-220℃，水热时间为4-28小时，冷却后，将样品取出，洗涤干燥，得到中间产物，将中间产物在管式炉中600-900℃条件下烧结0.5-4小时，得到目标前驱物(Ti2Nb10O29)；2)将步骤1)得到的目标前驱物(Ti2Nb10O29)放入管式炉中并通入乙炔气体200-900℃条件下烧结1-5小时，得到氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料(即Ti2Nb10O29-x@C材料)。本专利技术中，将Ti2Nb10O29通入乙炔气体烧结，得到Ti2Nb10O29-x@C材料，分子式中x表示氧空位(即缺的氧原子)，是通过乙炔将氧原子还原而形成的，x是随机产生，没有具体数值。Ti2Nb10O29-x@C材料可以有效提高电子传导速率，从而提高其电化学性能。Ti2Nb10O29-x@C可作为具有高能量密度、高功率密度和高安全稳定性的锂离子电池负极材料。步骤1)中，所述的五氯化铌和钛酸异丙酯的摩尔比为3～7：1，进一步优选为4～6：1，最优选为5：1。水热温度为160℃-200℃，水热时间为10-24小时，将目标前驱物在管式炉中750-850℃条件下烧结1-2小时，步骤2)中，将步骤1)得到的目标前驱物(Ti2Nb10O29)放入管式炉中并通入乙炔气体300-600℃条件下烧结1.5-2.5小时。制备的氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料(即Ti2Nb10O29-x@C材料)，具有较大的比表面积，Ti2Nb10O29-x@C纳米颗粒能增大电解液与电机的接触面积，提供更大更有效的活性反应面积，包碳加快了电子传导速率，这种包碳技术也同时产生了氧空位，分子式中x表示氧空位，改善了机械应力，提高电化学性能。所述的氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料特别适合作为锂离子电池负极材料。所述的Ti2Nb10O29@C材料拥有高的理论容量(396mAhg-1)，在5C(1C＝396mAhg-1)电流密度下放电比电容可达到310mAhg-1，且500次循环后放电比电容保持率达90％以上，具有较好的电子电导率以及较高的安全稳定性，Ti2Nb10O29@C纳米颗粒平均直径大约为50nm。所述的Ti2Nb10O29@C材料作为一种新的钛铌氧/碳复合材料。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：本专利技术方法通过简单的水热法和高温烧结来制备Ti2Nb10O29，最后通过通乙炔高温烧结获得Ti2Nb10O29-x@C目标产物。该制备方法简单方便，易于控制。本专利技术制备的Ti2Nb10O29-x@C电极材料，具有较大的比表面积，Ti2Nb10O29-x@C纳米颗粒能增大电解液与电机的接触面积，提供更大更有效的活性反应面积，包碳加快了电子传导速率，这种包碳技术也同时产生了氧空位，改善了机械应力，提高电化学性能。本专利技术中，克服了SEI膜的形成、反应动力学缺点，从而实现高功率放电性能的同时保持高能量密度，以形成具有高功率、高能量密度、高安全稳定性的新型锂离子电池负极材料。附图说明图1为实施例1中制得的Ti2Nb10O29-x@C的XRD图；图2为实施例1中制得的Ti2Nb10O29-x@C的扫描电镜图；图3为实施例1中制得的Ti2Nb10O29-x@C的透射电镜图。具体实施方式下面结合实施例来详细说明本专利技术，但本专利技术并不仅限于此。实施例1称取0.2849gC12H28O4Ti，加入60mL无水乙醇，搅拌10分钟，再加入1.35gNbCl5，五氯化铌和钛酸异丙酯的摩尔比为5：1，搅拌15分钟，至完全溶解。混合均匀后将溶液移入聚四氟乙烯高压反应釜中，将高压釜密封，在200℃的条件下水热反应24小时。反应后冷却至室温25℃，将溶液倒掉取出样品，并用去离子水洗涤烘干后，自然冷却至室温25℃，得到中间产物。最后将中间产物放入管式炉中800℃烧结2小时得到目标前驱物(Ti2Nb10O29)，并通入乙炔300℃烧结2小时气体得到Ti2Nb10O29-x@C目标产物(即氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料)。图1为实施例1中制得的Ti2Nb10O29-x@C的XRD图，图1中TNO表示Ti2Nb10O29，TNO-x@C3表示Ti2Nb10O29-x@C目标产物；图2为实施例1中制得的Ti2Nb10O29-x@C的扫描电镜图；图3为实施例1中制得的Ti2Nb10O29-x@C的透射电镜图。Ti2Nb10O29@C纳米颗粒平均直径大约为50nm。实施例2称取0.2849gC12H28O4Ti，加入60mL无水乙醇，搅拌10分钟，再加入1.35gNbCl5，五氯化铌和钛酸异丙酯的摩尔比为5：1，搅拌15分钟，至完全溶解。混合均匀后将溶液移入聚四氟乙烯高压反应釜中，将高压釜密封，在160℃的条件下水热反应10小时。反应后冷却至室温25℃，将溶液倒掉取出样品，并用去离子水洗涤烘干后，自然冷却至室温25℃，得到中间产物。最后将中间产物放入管式炉中750℃烧结2小时得到目标前驱物(Ti2Nb10O29)，并通入乙炔500℃烧结2小时气体得到Ti2Nb10O29-x@C目标产物(即氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料)。实施例3称取0.2849gC12H28O4Ti，加入60mL无水乙醇，搅拌10分钟，再加入1.35gNbCl5，五氯化铌和钛酸异丙酯的摩尔比为5：1，搅拌15分钟，至完全溶解。混合均匀后将溶液移入聚四氟乙烯高压反应釜中，将高压釜密封，在180℃的条件下水热反应15小时。反应后冷却至室温25℃，将溶液倒掉取出样品，并用去离子水洗涤烘干后，自然冷却至室温25℃，得到中间产物。最后将中间产物放入管式炉中850℃烧结1小时得到目标前驱物(Ti2Nb10O29)，并通入乙炔600℃烧结2小时气体得到Ti2Nb10O29-x@C目标产本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将五氯化铌和钛酸异丙酯溶于无水乙醇溶液，搅拌混合均匀形成混合溶液，加入到聚四氟乙烯高压釜中，密封并加热，水热温度为140℃‑220℃，水热时间为4‑28小时，冷却后，将样品取出，洗涤干燥，得到中间产物，将中间产物在管式炉中600‑900℃条件下烧结0.5‑4小时，得到目标前驱物；2)将步骤1)得到的目标前驱物放入管式炉中并通入乙炔气体200‑900℃条件下烧结1‑5小时，得到氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将五氯化铌和钛酸异丙酯溶于无水乙醇溶液，搅拌混合均匀形成混合溶液，加入到聚四氟乙烯高压釜中，密封并加热，水热温度为140℃-220℃，水热时间为4-28小时，冷却后，将样品取出，洗涤干燥，得到中间产物，将中间产物在管式炉中600-900℃条件下烧结0.5-4小时，得到目标前驱物；2)将步骤1)得到的目标前驱物放入管式炉中并通入乙炔气体200-900℃条件下烧结1-5小时，得到氧空位和碳包覆调节的钛铌氧/碳复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的五氯化铌和钛酸异丙酯的摩尔比为3～7：1。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述的五氯化铌和钛酸异丙...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏新辉，邓盛珏，周荣帆，涂江平，王秀丽，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33