一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用，属于锂离子电池材料技术领域。本发明专利技术提供的锂离子电池负极材料的微观形貌为手风琴形状的多片层体，片层表面有规则分布的立方晶型的Ti‑Nb‑O。本发明专利技术在碳化钛中引入铌元素，并在掺入铌的碳化钛中引入氧元素，可以明显提升锂离子负极材料的比容量。本发明专利技术还提供了上述技术方案所述的锂离子电池负极材料的制备方法，本发明专利技术的制备方法能够成功制备得到形貌为手风琴形状的多片层体的锂离子电池负极材料，且该制备方法简单。

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及锂离子电池材料
，尤其涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用。
技术介绍
能源和环境危机促使人们加速开发以太阳能、风能、潮汐能等为代表的绿色能源，然而它们都属于间歇性能源，需要与储能装置配合使用。锂离子电池由于具有高能量密度、高功率密度、高输出电压、无记忆效应等特而被广泛地用于消费电子、动力储能和大型电网，其中动力储能领域对能量密度的要求尤为突出。现有的锂离子电池的储锂机制大致分为三类。嵌入型储锂机制：以石墨为代表的嵌入型负极材料于1970年应用于商业锂离子电池。石墨由于自身导电性优异、循环性能稳定、价格低廉而备受青睐。在充放电过程中，锂离子可以在其结构中轻易的插入、脱插；但是六个碳原子才能存储一个锂原子形成LiC6，其理论比容量仅有372mAh·g-1，逐渐不能满足人们的使用需求，目前许多研究致力于开发高比容量的负极材料。合金化型储锂机制：以硅、锡为代表的合金化型负极材料可以与锂离子在较低的电位下发生合金化反应。一个硅、锡原子可以与4.4个锂原子形成Li4.4Si(理论比容量4200mAh·g-1)、Li4.4Sn(理论比容量990mAh·g-1)而具有极高的比容量，但这也意味着锂离子插入与脱插的过程会在材料内部产生巨大的应力，在循环过程中活性物质会粉体化进而从集流体上脱落，导致电极材料比容量迅速衰减不具备稳定的循环性能。转化型储锂机制：以MaXb(M＝过渡金属，X＝O，S，F，P，N)为代表的过渡金属化合物可与锂离子发生转化反应，生成包裹金属纳米颗粒的LiyX基体，这类将高价过渡金属还原为金属态的过程一般由大量锂离子参与，具有较高的比容量(700mAh·g-1～1300mAh·g-1)以及较低的嵌锂电位，对应的反应方程为：其中TM代表钴、铁、镍、铜等过渡金属元素。这种转化型负极材料由于较高的比容量被认为是富有前景的新一代锂离子电池负极材料的有力候选者。然而，与合金化型负极材料类似的是充放电过程中巨大的体积变化破坏自身结构，导致活性物质从集流体上脱落。并且自身较低的电导率、严重的团聚现象使其在实际应用中仍存在巨大的挑战。因此，提供一种高库仑效率以及电化学锂化/脱锂过程中的高可逆性的锂离子电池负极材料备受关注。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种锂离子电池负极材料及其制备方法与应用，本专利技术提供的锂离子负极材料具有高库仑效率以及电化学锂化/脱锂过程中的高可逆性。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料的微观形貌为手风琴形状的多片层体，片层表面有规则分布的立方晶型的Ti-Nb-O。本专利技术还提供了上述技术方案所述的锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：将钛粉、铌粉、铝粉和碳粉混合，依次经预压成型、放电等离子体烧结，得到铌掺杂Ti3AlC2；所述钛粉、铝粉和碳粉的摩尔比为3：1：2；将所述铌掺杂Ti3AlC2粉碎后，进行刻蚀，得到铌掺杂二维层状Ti3C2；将所述铌掺杂二维层状Ti3C2煅烧，得到所述锂离子电池负极材料。优选地，所述钛粉和铌粉的摩尔比为(2～9)：1。优选地，所述预压成型的压力为2kN，时间为2～5min。优选地，所述放电等离子体烧结的烧结压力为10～50MPa，温度为1350～1450℃，时间为20～60min。优选地，所述放电等离子体烧结的气氛真空度为10Pa。优选地，所述刻蚀用试剂为氢氟酸，所述氢氟酸的质量分数为50％。优选地，所述刻蚀的温度为50℃，时间为12～24h。优选地，所述煅烧的温度为300～500℃，保温时间为30～60min，升温至所述煅烧的温度的速率为5～15℃/min。本专利技术还提供了上述技术方案所述的锂离子电池负极材料或上述技术方案所述制备方法制得的锂离子电池负极材料在锂离子电池领域中的应用。本专利技术提供了一种锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料的微观形貌为手风琴形状的多片层体，片层表面有规则分布的立方晶型的Ti-Nb-O本专利技术在碳化钛中引入铌元素和氧，可以明显提升锂离子负极材料的高库仑效率，电化学锂化/脱锂过程中的高可逆性。本专利技术还提供了上述技术方案所述的锂离子电池负极材料的制备方法，本专利技术的制备方法能够成功制备得到形貌为手风琴形状的多片层体的锂离子电池负极材料，且该制备方法简单。附图说明图1为Ti-Nb-O-400℃的扫描电镜照片；图2为Ti-Nb-O-400℃在0.1A/g电流密度下的比容量循环图；图3为Ti-Nb-O-400℃在0.1A/g电流密度下循环300次后的扫描电镜照片；图4为Ti-Nb-O-350℃在0.1A/g电流密度下的比容量循环图；图5为Ti-Nb-O-450℃在0.1A/g电流密度下的比容量循环图；图6为Ti-Nb-O-500℃在0.1A/g电流密度下的比容量循环图；图7为Ti-Nb-O-500℃在不同电流密度下的倍率曲线；图8为Ti-Nb-O-500℃的电压与比容量关系图；图9为Ti-Nb-O-500℃的CV循环图；图10为实施例5所得(Ti2.7Nb0.3)-O-450℃在0.1A/g电流密度下的比容量循环图。具体实施方式本专利技术提供了一种锂离子电池负极材料，所述锂离子电池负极材料的微观形貌为手风琴形状的多片层体，片层表面有规则分布的立方晶型的Ti-Nb-O。本专利技术还提供了上述技术方案所述的锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：将钛粉、铌粉、铝粉和碳粉混合，依次经预压成型、放电等离子体烧结，得到铌掺杂Ti3AlC2；所述钛粉、铝粉和碳粉的摩尔比为3：1：2；将所述铌掺杂Ti3AlC2粉碎后，进行刻蚀，得到铌掺杂二维层状Ti3C2；将所述铌掺杂二维层状Ti3C2煅烧，得到所述锂离子电池负极材料。本专利技术将钛粉、铌粉、铝粉和碳粉混合，依次经预压成型、放电等离子体烧结，得到铌掺杂Ti3AlC2；所述钛粉、铝粉和碳粉的摩尔比为3：1：2。在本专利技术中，所述钛粉、铌粉、铝粉和碳粉的粒径独立地优选为300目。在本专利技术中，所述钛粉、铌粉、铝粉和碳粉混合的过程优选为：将所述钛粉、铌粉、铝粉和碳粉与乙醇湿混30min，在80℃下真空烘干12小时。在本专利技术中，所述钛粉和铌粉的摩尔比优选为(2～9)：1，具体优选为2：1或9：1。在本专利技术中，所述预压成型的压力优选为2kN，时间优选为2～5min。在本专利技术中，所述放电等离子体烧结的烧结压力优选为10～50MPa，进一步优选为20～40MPa；所述烧结压力为所述放电等离子体烧结过程中对模具施加的压力；温度优选为1350～1450℃，进一步优选为1400℃；升温至所述放电等离子体烧结的温度的速率优选为50℃/min；保温时间优选为20～本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于，所述锂离子电池负极材料的微观形貌为手风琴形状的多片层体，片层表面有规则分布的立方晶型的Ti-Nb-O。/n

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于，所述锂离子电池负极材料的微观形貌为手风琴形状的多片层体，片层表面有规则分布的立方晶型的Ti-Nb-O。


2.权利要求1所述的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：
将钛粉、铌粉、铝粉和碳粉混合，依次经预压成型、放电等离子体烧结，得到铌掺杂Ti3AlC2；所述钛粉、铝粉和碳粉的摩尔比为3：1：2；
将所述铌掺杂Ti3AlC2粉碎后，进行刻蚀，得到铌掺杂二维层状Ti3C2；
将所述铌掺杂二维层状Ti3C2煅烧，得到所述锂离子电池负极材料。


3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钛粉和铌粉的摩尔比为(2～9)：1。


4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述预压成型的压力为2kN，时间为2～5min。


5.根据权利要求2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张新宇，宋丰，秦家千，刘日平，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13