一种多孔碳微球原位复合纳米TiO2的制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及锂离子电池技术领域，且公开了一种多孔碳微球原位复合纳米TiO2，TiO2纳米管具有更高的比表面积和锂离子脱嵌位点，TiO2纳米管均匀分散在聚丙烯腈微球中，进一步通过预氧化脱氢

【技术实现步骤摘要】
一种多孔碳微球原位复合纳米TiO2的制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及锂离子电池
，具体为一种多孔碳微球原位复合纳米TiO2的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近年来，人类过度开发和使用化石能源，导致化石燃料的储量日益锐减，同时给环境带来严重污染，各国都在大力发展新能源储能系统，如锂离子充电、燃料电池、超级电容器等，而锂离子电池具有能量密度高，循环寿命长和环境友好等优点，在笔记本电脑和手机等便捷式电子产品中具有广泛的应用，并且在新能源电动汽车、航空航天等大型储能等新能源领域展现出广阔的发展前景。
[0003]目前商业化锂离子电池的负极材料为石墨负极材料，但是石墨负极材料的实际比容量较低，因此需要开发比容量高。循环稳定性好的新型负极材料，如活性碳负极材料、合金类负极材料、金属氧化物类负极材料，其中二氧化钛负极材料的工作过程为脱锂
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嵌锂过程，并且其无毒环保、化学性质稳定，在锂离子电池负极材料中具有广泛的研究，但是二氧化钛的电子导电率和离子导电率较低，不利于电子和锂离子的扩散和迁移，导致负极材料的倍率性能和比容量较低，限制了二氧化钛负极材料的发展。
[0004](一)解决的技术问题
[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种多孔碳微球原位复合纳米TiO2的制备方法和应用，解决了二氧化钛负极材料倍率性能和比容量较低的问题。
[0006](二)技术方案
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种多孔碳微球原位复合纳米TiO2，所述多孔碳微球原位复合纳米TiO2的制备方法包括以下步骤：
[0008](1)向反应瓶中加入蒸馏水、氢氧化钠和纳米TiO2，超声至均匀分散，将溶液倒入反应釜中，加热至120
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140℃，反应20
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30h，稀盐酸酸洗和蒸馏水洗涤，得到TiO2纳米管。
[0009](2)向反应瓶中乙醇和稀氨水混合溶剂，加入TiO2纳米管和硅烷偶联剂，超声至均匀分散，加热至40
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60℃，匀速搅拌反应5
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10h，离心分离、蒸馏水和乙醇洗涤，得到改性TiO2纳米管。
[0010](3)在氮气氛围中，向反应瓶中加入蒸馏水和乙醇混合溶剂，加入改性TiO2纳米管，超声至均匀分散，加热至60
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70℃，加入丙烯腈，再缓慢滴加过硫酸钾溶液，匀速搅拌反应3
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6h，冷冻干燥除去溶剂，使用蒸馏水洗涤，得到聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管。
[0011](4)将聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管置于气氛管式炉中，进行预氧化过程，得到脱氢
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环化聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管。
[0012](5)将质量比为10:25
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40的脱氢
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环化聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管和氢氧化钾研磨混合，置于气氛管式炉中，进行碳化过程，制备得到多孔碳微球原位复合纳米TiO2，应用于锂离子电池负极材料中。
[0013]优选的，所述步骤(1)中的氢氧化钠和纳米TiO2的质量比为20
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30:1。
[0014]优选的，所述步骤(2)中的硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷，与TiO2纳米管的质量比为20
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40:100。
[0015]优选的，所述步骤(3)中的TiO2纳米管、丙烯腈和过硫酸钾的质量比为100:60
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120:0.5
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3。
[0016]优选的，所述步骤(4)中的预氧化过程是空气氛围中，250
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300℃下预氧化1
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2h。
[0017]优选的，所述步骤(5)中的碳化过程为氩气氛围，750
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850℃下碳化2
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3h。
[0018](三)有益的技术效果
[0019]与现有技术相比，本专利技术具备以下有益的技术效果：
[0020]该一种多孔碳微球原位复合纳米TiO2，纳米TiO2在氢氧化钠强碱体系中，生成部分钛酸钠等副产物，使纳米TiO2晶格结构发生剥离，重组和卷曲，进而卷曲成纳米管状TiO2，相比于传统的纳米TiO2，TiO2纳米管具有更高的比表面积和锂离子脱嵌位点，从而提高了锂离子扩散系数，促进了锂离子的脱出和嵌入过程，提高了负极材料的比容量。
[0021]该一种多孔碳微球原位复合纳米TiO2，氢氧化钠强碱处理后的TiO2纳米管表面含有大量的羟基，很容易与乙烯基硅烷偶联剂反应，从而得到表面烯基含量丰富的改性TiO2纳米管，通过无皂乳液聚合过程中，丙烯腈与改性TiO2纳米管表面的烯基发生共聚，得到聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管，使TiO2纳米管均匀分散在聚丙烯腈微球中，进一步通过预氧化脱氢
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环化过程和高温碳化过程，聚丙烯腈微球碳化生成氮掺杂多孔碳球，而TiO2纳米管高度分散在氮掺杂多孔碳球基团中，氮掺杂有利于提高多孔碳球的电化学性质和导电性，产生丰富的锂离子脱嵌位点，进一步加速电子和锂离子的扩散，同时氮掺杂多孔碳球的修饰有利于减少TiO2纳米管体积膨胀的现象，起到稳定TiO2的纳米管状结构形貌，有利于提高负极材料的结构稳定性和电化学循环稳定性。
具体实施方式
[0022]为实现上述目的，本专利技术提供如下具体实施方式和实施例：一种多孔碳微球原位复合纳米TiO2，制备方法包括以下步骤：
[0023](1)向反应瓶中加入蒸馏水、质量比为20
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30:1的氢氧化钠和纳米TiO2，超声至均匀分散，将溶液倒入反应釜中，加热至120
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140℃，反应20
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30h，稀盐酸酸洗和蒸馏水洗涤，得到TiO2纳米管。
[0024](2)向反应瓶中乙醇和稀氨水混合溶剂，加入质量比为20
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40:100的TiO2纳米管和硅烷偶联剂为乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三乙氧基硅烷，超声至均匀分散，加热至40
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60℃，匀速搅拌反应5
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10h，离心分离、蒸馏水和乙醇洗涤，得到改性TiO2纳米管。
[0025](3)在氮气氛围中，向反应瓶中加入蒸馏水和乙醇混合溶剂，加入改性TiO2纳米管，超声至均匀分散，加热至60
‑
70℃，加入丙烯腈，再缓慢滴加过硫酸钾溶液，其中TiO2纳米管、丙烯腈和过硫酸钾的质量比为100:60
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120:0.5
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3，匀速搅拌反应3
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6h，冷冻干燥除去溶剂，使用蒸馏水洗涤，得到聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管。
[0026](4)将聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管置于气氛管式炉中，在空气氛围中，250
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300℃下预氧化1
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2h，得到脱氢
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环化聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多孔碳微球原位复合纳米TiO2，其特征在于：所述多孔碳微球原位复合纳米TiO2的制备方法包括以下步骤：(1)向反应瓶中加入蒸馏水、氢氧化钠和纳米TiO2，超声至均匀分散，将溶液倒入反应釜中，加热至120
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140℃，反应20
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30h，得到TiO2纳米管。(2)向反应瓶中乙醇和稀氨水混合溶剂，加入TiO2纳米管和硅烷偶联剂，超声至均匀分散，加热至40
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60℃，反应5
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10h，得到改性TiO2纳米管。(3)在氮气氛围中，向反应瓶中加入蒸馏水和乙醇混合溶剂，加入改性TiO2纳米管，超声至均匀分散，加热至60
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70℃，加入丙烯腈，再缓慢滴加过硫酸钾溶液，反应3
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6h，得到聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管。(4)将聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管置于气氛管式炉中，进行预氧化过程，得到脱氢
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环化聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管。(5)将质量比为10:25
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40的脱氢
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环化聚丙烯腈微球修饰TiO2纳米管和氢氧化钾研磨混合，置于气氛管式炉中，进行碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：程承，
申请(专利权)人：程承，
类型：发明
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