一种碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法及应用，涉及化学电池技术领域，具体包括以下步骤：步骤一、称取铌源和钛源置于球磨罐中，以有机溶剂为分散介质，充分混合；步骤二、将步骤一所得混合物干燥，得到前驱体；步骤三、将步骤二所得前驱体在有机气氛下进行管式炉煅烧处理，降至常温后得到碳包覆少氧型铌酸钛负极材料。本发明专利技术利用有机气氛一步热解还原法制备的碳包覆少氧型铌酸钛负极材料存在少氧状态，可以存储额外的锂离子，加快锂离子的扩散速率，缩短锂离子传输途径，进而提高反应动力学；包覆的边界碳明显改善材料的导电性，使得该材料具有优异的电化学性能。使得该材料具有优异的电化学性能。使得该材料具有优异的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及化学电池
，具体涉及一种碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]随着电子信息时代的来临，人们对电子产品的需求越来越大，锂离子电池作为重要的储能元件，广泛应用于智能电子产品(即智能手机，笔记本电脑等)和电动汽车中。目前，石墨已被广泛应用于商业化的锂离子电池负极材料，虽然该材料价格低廉，但石墨的嵌锂电位较低会导致枝晶形成，从而引起较大的安全隐患。此外，在碳表面上容易形成的固体电解质界面层会导致电极材料的阻抗增大，不可逆容量较高。因此，为了满足实际应用，迫切需要设计和开发具有相对较高的嵌入电势，较好的安全性，优异的电化学性能的锂离子电池负极材料代替商用石墨材料。
[0003]近年来，铌酸钛(TiNb2O7、TiNb6O
17
、Ti2Nb
10
O
29
等)由于具有相对较高的氧化还原电位(1.0
‑
2.0V)而受到关注，其能够有效地避免电解液的分解以及锂枝晶问题，具有较好的安全性。此外，铌酸钛理论比容量大约在380mAh g
‑1，远高于类似的功率型负极材料Li4Ti5O
12
，因此，铌酸钛材料成为人们近年来研究的热门。但是由于铌酸钛中Ti和Nb元素的价态分别为+4和+5，Ti
4+
/Nb
5+
离子中的3d/4d轨道没有自由电子参与电子传导，从而导致其材料具有极小的电子传导性(<1
×
10
‑9S cm
‑1)，因此，铌酸钛材料的实际应用受到了较大的限制。
[0004]目前来说，将铌酸钛材料与碳纳米管或石墨烯等高导电的碳材料进行复合改善材料的本征电子导电性是电池制备中的核心步骤，但是这些高电导的复合材料一般价格昂贵、合成方法复杂，不适用于大规模的工业生产。因此，开发一种操作简单、成本低廉、能耗低、电化学性能优异的铌酸钛材料的制备方法，一直是人们迫切需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一个目的是为了改善铌酸钛负极材料导电性能差的问题，提供一种碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法。
[0006]本专利技术的第二个目的在于提供一种碳包覆少氧型铌酸钛负极材料在锂离子电池中的应用。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0008]一种碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一、称取铌源、钛源，将这两种物质置于球磨罐中，以有机溶剂作为分散介质，使原料充分球磨混合得到混合物；
[0010]步骤二、将步骤一所得混合物干燥，得到前驱体；
[0011]步骤三、将步骤二所得前驱体有机气氛下进行管式炉煅烧处理，自然降温至常温后即得到碳包覆少氧型铌酸钛负极材料。
[0012]进一步的，步骤一中，所述铌源中铌与钛源中钛的质量比为1:1
‑
7:1。
[0013]优选的，所述钛源包括二氧化钛、硫酸钛、偏钛酸中的至少一种。
[0014]优选的，所述铌源包括五氧化二铌、五氯化铌、三氧化二铌、五乙氧基铌中的至少一种。
[0015]优选的，步骤一中，所述有机溶剂为正己烷、戊烷和四氯化碳中的一种或几种。
[0016]进一步的，步骤一中，球磨转速为50
‑
2000转/分钟，所述球磨时间为0.5
‑
100小时。
[0017]进一步的，步骤二中，干燥温度为65
‑
140℃，干燥时间为8
‑
24小时。
[0018]进一步的，步骤三中，所述有机气氛包括甲烷、乙炔、丙烷、丙炔、乙烯中的至少一种。
[0019]进一步的，步骤三中，煅烧温度为200
‑
1500℃，煅烧时间为1
‑
36h。
[0020]一种锂离子电池，包括上述的制备方法制得的碳包覆少氧型铌酸钛负极材料。
[0021]本专利技术相对于现有技术的有益效果：
[0022]1)本专利技术利用有机气氛一步热解还原法制备的碳包覆少氧型铌酸钛负极材料存在少氧状态，少氧状态的铌酸钛可以存储额外的锂离子，加快锂离子的扩散速率，缩短锂离子传输途径，进而提高反应动力学；该碳包覆少氧型铌酸钛材料具备包覆碳层，包覆的边界碳明显改善材料的导电性，进而使得该材料具有优异的电化学性能，由于碳层和少氧状态的协同作用，碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的导电性得到显著提高。
[0023]2)本专利技术操作步骤简单、对设备要求低、价格低廉、适用于大规模生产。
附图说明
[0024]图1是实施例1制备得到的碳包覆少氧型铌酸钛(TiNb2O7‑
x
@C)负极材料在0.5C下的循环性能曲线图。
[0025]图2是实施例1制备得到的碳包覆少氧型铌酸钛(TiNb2O7‑
x
@C)负极材料在0.5C下的充/放电曲线图。
具体实施方式
[0026]下面通过附图1
‑
2结合具体实施方式和实施例对本专利技术作进一步的说明。
[0027]具体实施方式一：
[0028]一种碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0029]步骤一、称取铌源、钛源，将这两种物质置于球磨罐中，以有机溶剂为分散介质，进行充分球磨混合得到混合物；
[0030]步骤二、将步骤一所得混合物干燥，得到前驱体；
[0031]步骤三、将步骤二所得前驱体在有机气氛下进行管式炉煅烧处理，自然降温至常温后即得到碳包覆少氧型铌酸钛负极材料。
[0032]进一步的，步骤一中，所述铌源中的铌与钛源中的钛的质量比为1:1
‑
7:1。
[0033]优选的，所述钛源包括二氧化钛、硫酸钛、偏钛酸中的至少一种。
[0034]优选的，所述铌源包括五氧化二铌、五氯化铌、三氧化二铌、五乙氧基铌中的至少一种。
[0035]优选的，步骤一中，所述有机溶剂为正己烷、戊烷和四氯化碳中的一种或几种。
[0036]进一步的，步骤一中，球磨转速为50
‑
2000转/分钟，球磨时间为0.5
‑
100小时。
[0037]更优选的，步骤一中，球磨转速为400
‑
900转/分钟，球磨时间为4
‑
36小时。
[0038]进一步的，步骤二中，干燥温度为65
‑
140℃，干燥时间为8
‑
24小时。
[0039]进一步的，步骤三中，所述有机气氛包括甲烷、乙炔、丙烷、丙炔、乙烯中至少的一种。
[0040]进一步的，步骤三中，煅烧温度为200
‑
1500℃，煅烧时间为1
‑
36h。
[0041]具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、称取铌源、钛源，将这两种物质置于球磨罐中，以有机溶剂作为分散介质，使原料充分球磨混合得到混合物；步骤二、将步骤一所得混合物干燥，得到前驱体；步骤三、将步骤二所得前驱体在有机气氛下进行管式炉煅烧处理，自然降温至常温后即得到碳包覆少氧型铌酸钛负极材料。2.根据权利要求1所述的碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述铌源中铌与钛源中钛的质量比为1:1
‑
7:1。3.根据权利要求1或2所述的碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法，其特征在于：所述钛源包括二氧化钛、硫酸钛、偏钛酸中的至少一种。4.根据权利要求1或2所述的碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法，其特征在于：所述铌源包括五氧化二铌、五氯化铌、三氧化二铌、五乙氧基铌中的至少一种。5.根据权利要求1所述的碳包覆少氧型铌酸钛负极材料的制备方法，其特征在于：步骤一中，所述有机溶剂为正己烷、戊烷和四氯化碳中的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄帅锋，张岩，尹鸽平，王家钧，马玉林，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：