一种K制造技术

本发明专利技术属于电池负极材料技术领域，具体公开了K

【技术实现步骤摘要】
一种K1.28Ti8O16、复合碳纳米纤维及其制备方法和在钠电中的应用
本专利技术涉及钠离子电池电极材料领域，具体涉及一种K1.28Ti8O16@C纳米纤维钠离子电池负极材料的制备方法及应用。
技术介绍
能源和环境问题是当今人类社会面临的两大挑战，不可再生能源的枯竭及日益严重的环境污染迫使人们去研究发现更为清洁可再生的能源技术。钠离子电池具有成本低、原料丰富、环境友好等优点，被认为是有望取代锂离子电池的二次储能技术。钠离子电池和锂离子电池虽表面上看仅仅是嵌入离子的不同，但钠离子比锂离子要大55％左右，其嵌入和扩散难度较锂离子成倍增加，且嵌入后材料的结构变化会更大。相比于锂离子电池领域，钠离子电池领域还有很多技术难题需要克服，其技术成熟度严重滞后于锂离子电池。近年来，钠离子电池的发展和突破主要集中在正极材料方面，对于负极材料的研究较为有限。在许多钠离子电池负极材料中，K2Ti6O13具有层间距较大、工作电压较低、化学性质稳定、环境友好等优点，引起了人们的广泛关注和研究。但是K2Ti6O13导电性较差，充放电循环过程中容易发生团聚和结构坍塌导致容量衰减，循环寿命短和倍率性能差等问题阻碍了其进一步应用。
技术实现思路
针对现有钠离子电池负极活性材料匮乏，电化学性能特别是大电流下的长循环稳定性有待改善等不足，本专利技术的第一目的在于，提供一种全新的K1.28Ti8O16化合物(本专利技术也称为K1.28Ti8O16负极活性材料)。本专利技术第二目的在于，提供一种K1.28Ti8O16@C纳米纤维复合活性材料，旨在提供一种具有良好钠电电化学性能的全新材料。本专利技术第三目的在于，提供一种所述的K1.28Ti8O16@C纳米纤维复合活性材料的制备方法，旨在获得一种具有特殊形貌、高物相纯度的K1.28Ti8O16@C纳米纤维复合活性材料。本专利技术第四目的在于，提供所述的K1.28Ti8O16@C纳米纤维复合活性材料在钠离子电池中的应用。本专利技术第五目的在于，提供一种包含所述复合活性材料的钠离子电池负极材料、负极以及钠离子电池。一种K1.28Ti8O16化合物。本专利技术提供了一种全新的K1.28Ti8O16化合物，其具有优异的晶相稳定性。本专利技术研究发现，将其用作钠离子电池负极活性材料，可以表现优异的长循环稳定性。所述的K1.28Ti8O16化合物具有锰钡矿型隧道状晶体结构。本专利技术第二目的在于，提供了一种K1.28Ti8O16@C纳米纤维，其包含碳纤维，以及镶嵌在碳纤维上并裸露的K1.28Ti8O16纳米晶。本专利技术研究发现，所述的创新的K1.28Ti8O16化合物的作用下，进一步配合在一维碳纤维上的原位镶嵌裸露结构(在所述的纤维表面形成K1.28Ti8O16纳米晶凸起(刺凸))，能够意外地赋予所述的材料在钠离子电池中的优异性能，有助于显著改善材料的长循环稳定性。本专利技术所述的K1.28Ti8O16@C纳米纤维，其中的K1.28Ti8O16纳米晶原位生长在碳纤维基底上，且呈纳米棒、纳米片等形状。作为优选，所述的碳纤维为100～500nm。作为优选，所述的K1.28Ti8O16的含量为73％～77％。本专利技术还提供了所述的K1.28Ti8O16@C纳米纤维的制备方法，包括以下步骤：步骤(1)：将溶解有钛源、钾源、聚合物碳源的均相纺丝液进行静电纺丝，收集纺丝；其中，纺丝液中，K/Ti的元素比为1:2.5～1:3.5；步骤(2)；将得到的纺丝预先在含氧气氛下预碳化；步骤(3)；步骤(2)处理后，再在保护性气氛下750～800℃下退火，即得。本专利技术所述的K1.28Ti8O16@C纳米纤维的制备，关键在于所述的K1.28Ti8O16的成功制备及其物相纯度的控制，以及所述的一维碳纤维及K1.28Ti8O16纳米晶的原位镶嵌和延伸生长(镶嵌并表面凸起)的形貌控制。研究发现，通过所述的步骤(1)的均相溶液中的K/Ti的元素比的精准控制、配合后续的含氧气气氛下预碳化处理以及保护气氛下退火温度的精准控制，可以出人意料地成功获得K1.28Ti8O16，并能够有效保证晶相纯度，不仅如此，还能够成功构建一维碳纤维，且在其表面原位镶嵌和生长所述的K1.28Ti8O16纳米晶。本专利技术研究发现，通过所述的制备方法的联合控制，可以获得一种物质和形貌的材料，且发现该制备方法制得的全新的材料在钠电中具有优异的电学性能。研究发现，所述的制备方法制得的K1.28Ti8O16@C纳米纤维材料直径较小，比表面积较高，导电性较好，作为钠离子电池负极材料时可以有效缓解充放电循环过程中的体积膨胀，提高电池的循环稳定性和倍率性能。本专利技术中，所述的纺丝液为均相的溶液。作为优选，纺丝液中的溶剂为可溶解各成分，且利于形成均相溶液的溶剂，优选为有机溶剂，进一步优选为乙醇、N,N—二甲基甲酰胺(DMF)中的至少一种。所述的聚合物碳源为可在所述的均相纺丝液的溶剂中溶解的聚合物，优选为PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、PAN(聚丙烯腈)中的至少一种。作为优选，聚合物碳源的分子量为100000～150000；优选为120000～130000。所述的钾源为钾盐，进一步优选为CH3COOK、KCl中的至少一种。所述的钛源优选为可在所述的纺丝液溶剂中溶解的物质，优选为钛酸酯；进一步优选为碳酸四丁酯、异丙醇钛中的至少一种。本专利技术中，纺丝液中，除K/Ti需要重点控制外，其他物料的比例以及浓度可根据纺丝需要进行调整。作为优选，纺丝液中，溶剂的重量份为8～9份；钛源(例如钛酸酯)的重量份为2.5～3.0份。作为优选，聚合物碳源为纺丝液重量的7.5％～10％。作为优选，所述的均相纺丝液中，还添加有提高纺丝液中成分特别是钛酸酯稳定性的稳定剂。所述的稳定剂优选为乙酸。进一步优选，稳定剂的重量份为2.0～2.5份。本专利技术中，严格控制K/Ti在所述的比例下，配合所述的步骤(2)的在含氧气气氛下预碳化处理以及步骤(3)的保护性气氛下退火温度的联合控制，方可意外地获得高晶相纯度的K1.28Ti8O16。未控制在所述的比例下，难于获得高物相纯度甚至是无法获得所述的K1.28Ti8O16。本专利技术中，K/Ti的比例进一步优选为1：2.5。本专利技术中，将所述的均相纺丝液进行静电纺丝处理。静电纺丝的工艺和条件可采用现有的方法。作为优选，静电纺丝过程中，所用的针头为18～20号的平口不锈钢针头，针头与接收极板的距离为20～30cm，纺丝电压为18～20KV，环境温度为20～30℃，湿度为20％～40％，给液速度为0.5～1ml/h。静电纺丝完成后，收集纺丝。本专利技术创新地将该纺丝在含氧气气氛下进行预碳化，随后在保护性气氛下进行烧结，如此有助于意外地获得所述的K1.28Ti8O16高纯物相化合物，还有助于所述的材料的形貌的构建，有助于改善制得的材料在钠电中的性能。所述的含氧气氛例如为纯氧气，或者氧气-保护气的混合气，或者为空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种K

【技术特征摘要】
20200302 CN 202010135864X1.一种K1.28Ti8O16化合物。


2.一种K1.28Ti8O16@C纳米纤维，其特征在于，其包含碳纤维，以及镶嵌并裸露在碳纤维上的K1.28Ti8O16纳米晶；
优选地，所述的碳纤维为100～500nm；
优选地，所述的K1.28Ti8O16的含量为73％～77％。


3.如权利要求2所述的K1.28Ti8O16@C纳米纤维的制备方法，其特征在于，
步骤(1)：将溶解有钛源、钾源、聚合物碳源的均相纺丝液进行静电纺丝，收集纺丝；其中，纺丝液中，K/Ti的元素比为1：2.5～1：3.5；
步骤(2)；将得到的纺丝预先在含氧气气氛下预碳化；
步骤(3)；步骤(2)处理后，再在保护性气氛下750～800℃下退火，即得。


4.如权利要求3所述的K1.28Ti8O16@C纳米纤维的制备方法，其特征在于，纺丝液中的溶剂为有机溶剂，优选为乙醇、N,N—二甲基甲酰胺(DMF)中的至少一种；
所述的聚合物碳源为PVP、PAN中的至少一种；
所述的钾源为钾盐；优选为CH3COOK、KCl中的至少一种；
所述的钛源为钛酸酯；进一步优选为碳酸四丁酯、异丙醇钛中的至少一种；
优选地，所述的均相纺丝液中，还添加稳定剂；所述的稳定剂优选为乙酸。


5.如权利要求4所述的K1.28Ti8O16@C纳米纤维的制备方法，其特征在于，纺丝液中，溶剂的重量份为8～9份；钛源的重量份为2.5～3.0份；
进一步优选，稳定剂的重量份为2.0～2.5份；
优选地，聚合物碳源为纺丝液重量的7.5％～10％。

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【专利技术属性】
技术研发人员：刘赛男，陈鑫祥，蔡圳阳，刘会群，章海敏，胡东阳，郑巧莲，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43