一种氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料及其制备方法，属于能源和新材料技术领域。所述制备方法以四氯化钛和氨气为原料，在非氧气氛保护下，采用先化合

【技术实现步骤摘要】
一种氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及能源和新材料
，尤其涉及一种氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池由于工作电压高、容量大、循环性好以及优秀的环境耐受性等诸多优点，在现今各类便携式电子设备中其应用最为广泛。负极材料是电池中不可或缺的一部分，对电池的性能与成本控制有着重要的影响。氧化钛(TiO2)作为一种锂离子电池负极材料，具有成本低廉、安全性能高、环境友好等特点，在一些应用场合中有取代钛酸锂负极材料的前景。
[0003]TiO2完全嵌锂后的产物为LiTiO2，理论比容量为330 mAh/g，但由于嵌锂中间产物Li
0.55
TiO2的锂离子传导性能极差，TiO2电极材料通常仅能释放出约180 mAh/g的实际比容量。
[0004]Lee等[Engineering Titanium Dioxide Nanostructures for Enhanced Lithium
‑
Ion Storage. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140(48), 16676
‑
16684]的研究表明，在TiO2的晶粒尺寸降低到大约7 nm以下时，Li
0.55
TiO2极差的锂离子传导性能可以在一定程度上被克服，从而使TiO2负极材料释放出明显高于180 mAh/g的比容量。
[0005]此外，TiO2自身较差的电子导电性也是影响其储锂电化学性能，特别是倍率性能的重要因素。通过不等价离子掺杂，可以大幅提高TiO2的导电性。例如，专利文献CN105161700A公开了一种三氧化钼包覆钼掺杂二氧化钛纳米复合颗粒，以有机钛源和乙酰丙酮钼的高热焓溶剂溶液为前驱体，利用一步喷雾燃烧技术及其火焰反应快速高温快速冷却的特点制备得到；高温气相反应中三价Mo离子原位进入TiO2晶格进行掺杂，可以提高TiO2材料本身的导电性，保证高倍率性能；Mo离子掺杂饱和后会相分离生长在TiO2颗粒的表面，形成三氧化钼包覆层，进入TiO2晶格的Mo和表面MoO3提供额外的嵌锂空间，提高TiO2材料的容量。
[0006]因此，制备不等价离子掺杂的纳米TiO2成为推进氧化钛负极材料商业化应用的关键途径。但是，在现有技术中，制备掺杂纳米TiO2的工艺复杂，且成本较高。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料及其制备方法，以克服现有氧化钛作为锂离子负极材料存在的导电性差以及掺杂工艺复杂的问题。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提供了一种氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料的制备方法，包括以下步骤：(1) 在非氧气氛下，往四氯化钛液体中通入氨气，在室温~130℃条件下反应得到黄色固体，研磨得到黄色粉末；(2) 在非氧气氛下，将黄色粉末置于340~370℃条件下进行热处理，制得氯氮化钛
粉末；(3) 将氯氮化钛粉末分散在水中，通过超声振动进行剥离和水解，再收集水解后的粉末，经干燥、研磨，得到水解氯氮化钛粉末；(4) 在非氧气氛下，将水解氯氮化钛粉末置于250~550℃条件下进行煅烧，制得所述氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料。
[0009]所述非氧气氛采用氮气或惰性气体。优选的，惰性气体为氩气。
[0010]步骤(1)中，在非氧气氛保护下，四氯化钛和过量的氨气在室温~130℃条件下发生化合反应。反应结束后，将反应产物研磨成粉末。
[0011]优选的，在氮气气氛下，向装有四氯化钛液体的容器中吹入氮气与氨气以体积比为3:1混合的混合气，反应至液体全部转化为黄色固体。
[0012]优选的，步骤(1)中，反应的温度控制在40~100℃。进一步优选的，反应温度为50~70℃。
[0013]优选的，研磨的转速为50~70 rpm，时间为0.5~2 h。进一步优选的，研磨的转速为58~62 rpm，时间为0.8~1 h。
[0014]步骤(2)中，在非氧气氛保护下，化合产物在340~370℃环境下加热分解，制备得到具有层状结构的黑褐色氯氮化钛(TiNCl)粉末。
[0015]优选的，所述热处理的时间为5~10 h。
[0016]进一步优选的，热处理温度为345~365℃，时间为6~9 h。更优选的，热处理的温度为350~360℃，时间为7~8 h。
[0017]步骤(3)中，氯氮化钛粉末分散在水中，在室温下超声振动，使氯氮化钛发生剥离和水解。水解结束后，经过离心、烘干、研磨等步骤得到水解氯氮化钛粉末。
[0018]优选的，所述超声振动的功率为300 W，时间为1~3 h；进一步优选的，超声振动时间为1.5~2.5 h，更优选的，超声振动时间为1.5~2 h。
[0019]优选的，干燥的温度为60~120℃。进一步优选的，干燥的温度为80~100℃，时间为6~8 h。
[0020]步骤(4)中，将水解产物在非氧气氛下煅烧制得氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料。
[0021]优选的，煅烧的时间为2~8 h。进一步优选的，煅烧温度为300~500℃，时间为3~7 h，更优选的，所述煅烧的温度为400~450℃，时间为4~5 h。
[0022]本专利技术还提供了由上述制备方法制备得到的氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料。该材料呈现纳米片层形态，长宽为几十纳米，厚度在5 nm左右。
[0023]本专利技术还提供了一种锂离子电池，所述锂离子电池包括负极，负极的活性物质中包含所述的氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料。
[0024]所述氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料为纳米片层形态，有助于实现更高的比容量，且缓解充放电过程中电极材料体积变化引起的性能衰减，提高电极的循环稳定性；氯、氮的掺杂可以提高氧化钛的导电性，从而显著提升氧化钛负极材料在高充放电倍率下的性能。
[0025]本专利技术具备的有益效果：(1) 本专利技术提供了一种氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料的制备方法，以四氯化
钛和氨气为原料，在非氧气氛保护下，采用先化合
‑
后加热分解的方法，制备具有层状结构的氯氮化钛(TiNCl)粉末，然后将氯氮化钛粉末分散在水中，在室温下超声振动，使氯氮化钛发生剥离和水解，经过离心、烘干、研磨等步骤后，将所得粉末在惰性气氛中煅烧得到氯、氮共掺杂纳米氧化钛粉末。本专利技术提供的制备方法，原料便宜易得，工艺简便、成本低，适合规模化生产。
[0026](2) 本专利技术提供的氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料具有纳米片层形态，有助于实现更高的比容量，且缓解充放电过程中电极材料体积变化引起的性能衰减，提高电极的循环稳定性；氯、氮的掺杂可以提高氧化钛的导电性，从而显著提升氧化钛负极材料在高充放电倍率下的性能。
附图说明
[0027]图1为实施例1中氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料的TEM图。
[0028]图2为实施例1中氯、氮共掺杂纳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1) 在非氧气氛下，往四氯化钛液体中通入氨气，在室温~130℃条件下反应得到黄色固体，研磨得到黄色粉末；(2) 在非氧气氛下，将黄色粉末置于340~370℃条件下进行热处理，制得氯氮化钛粉末；(3) 将氯氮化钛粉末分散在水中，通过超声振动进行剥离和水解，再收集水解后的粉末，经干燥、研磨，得到水解氯氮化钛粉末；(4) 在非氧气氛下，将水解氯氮化钛粉末置于250~550℃条件下进行煅烧，制得所述氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料。2.如权利要求1所述的氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在氮气气氛下，向装有四氯化钛液体的容器中吹入氮气与氨气以体积比为3:1混合的混合气，反应至液体全部转化为黄色固体。3.如权利要求1所述的氯、氮共掺杂纳米氧化钛电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，反应的温度为50~70℃；研磨的转速为50~70 rpm，时间为0.5~2 h。4.如权利要求1所述的氯、氮共掺杂纳米氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：李哲东，符兵，
申请(专利权)人：中博龙辉装备集团股份有限公司，
类型：发明
国别省市：