氮掺杂碳包覆的二氧化钛及其制备方法技术

本文公开了一种氮掺杂碳包覆的二氧化钛及其制备方法。其步骤为：先将2

【技术实现步骤摘要】
氮掺杂碳包覆的二氧化钛及其制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池负极材料
，涉及一种氮掺杂碳包覆的二氧化钛及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池凭借其高质量能量密度与体积能量密度，已经广泛应用在3C数码、便携穿戴等诸多领域。但是随着科技的进步，新能源汽车等技术的快速发展，对二次电池体系提出了越来越高的要求。因而，有必要设计更长循环寿命、更高安全性的锂离子电池体系。作为锂离子电池重要组成部分的负极材料，理想情况下应满足质量能量密度和体积能量密度高、电极电位低、倍率性能良好、循环寿命长、成本低廉、兼容性高以及环境友好等优点。
[0003]目前，在锂离子电池负极材料的相关研究中，二氧化钛（TiO2）作为一种嵌入型材料，在充放电过程中仅发生锂离子的嵌入和脱出，并不会发生相的转变过程，具有较高的循环稳定性以及倍率性能，并且嵌锂电位较高、安全性好，同时，钛资源较为丰富，成本不高，使其受到关注。但是，TiO2的能量密度低，块体材料的电子电导率低，使其性能的发挥受到材料的颗粒尺寸、形貌限制明显。因而，碳包覆、纳米化等处理成为对其进行修饰的重要方法。
[0004]例如，专利申请CN 109809473 A公开了一种层状二氧化钛锂离子电池负极材料的制备方法，通过对锐钛矿型TiO2进行强碱溶剂热反应和离子交换，制备出二维层状结构，有利于锂离子的扩散，从而提高了比容量和倍率性能得到一定优化的TiO2电极材料，但是单独构建纳米结构优化效果有限。专利申请CN 104409715 A使用碳基材料复合的修饰方法制备氮掺杂碳复合的钛酸锂材料，用于锂离子电池负极材料时性能得到了明显的优化。专利申请CN 111943259 A公开了一种碳包覆介孔双相二氧化钛制备方法及储能应用，通过使用钛酸纳米带作为二氧化钛前驱体浸泡在乙二醇中，经高温煅烧制备出材料，具有丰富介孔结构及β相与锐钛矿相双晶体结构，提升了材料的离子电导率，但工艺复杂，碳包覆均匀性有待提高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种氮掺杂碳包覆的二氧化钛及其制备方法。
[0006]实现本专利技术目的的技术方案为：一种氮掺杂碳包覆的二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将2
‑
氨基对苯二甲酸溶于DMF和甲醇的混合溶液中；步骤2，向混合溶液中滴加钛酸四丁酯，搅拌均匀；步骤3，将混合溶液进行溶剂热反应，溶剂热结束后超声、用乙醇清洗、干燥得到前驱体；步骤4，将前驱体在氮气气氛中、800℃下煅烧2小时得到氮掺杂碳包覆的二氧化钛。
[0007]优选地，步骤1中，DMF和甲醇的体积比为9:1~5:5，更优选为9:1。
[0008]优选地，步骤3中，溶剂热反应温度为150℃~200℃，溶剂热反应时间为12h~36h。
[0009]本专利技术还提供上述制备方法制得的氮掺杂碳包覆的二氧化钛。
[0010]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术通过煅烧NH2‑
MIL
‑
125(Ti)前驱体得到氮掺杂碳包覆的二氧化钛，这种氮掺杂碳包覆的二氧化钛继承了前驱体材料的结构特征，提高了二氧化钛的导电性，从而提高其电化学性能。
附图说明
[0011]图1为氮掺杂碳包覆的二氧化钛的制备工艺流程图。
[0012]图2为实施例1制备的氮掺杂碳包覆的二氧化钛的扫描电子显微镜图。
[0013]图3为实施例1制备的氮掺杂碳包覆的二氧化钛的透射电子显微镜图。
[0014]图4为实施例1制备的氮掺杂碳包覆的二氧化钛的XRD图谱。
[0015]图5为实施例1~3制备的氮掺杂碳包覆的二氧化钛作为锂离子电池负极材料的循环性能图。
[0016]图6为实施例1~3制备的氮掺杂碳包覆的二氧化钛作为锂离子电池负极材料的倍率性能图。
具体实施方式
[0017]下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详述。
[0018]传统的二氧化钛材料电子导电性较差，无法在充放电过程中快速传输电子。本专利技术提出了一种新颖的氮掺杂碳包覆的二氧化钛复合材料作为锂离子电池负极。将氮原子掺杂进碳元素中可以改变相邻碳原子的结构并增加表面缺陷，从而改善碳元素在氧化还原中的反应动力学。因此，氮掺杂的碳层提高了材料的导电性、电子传导性并且增加了活性位点，从而极大提高了二氧化钛在锂离子电池中的电化学性能。
[0019]本专利技术通过溶剂热法结合煅烧，首先合成NH2‑
MIL
‑
125(Ti)中间产物，通过热解法制备出氮掺杂碳包覆的二氧化钛复合材料，将其作为锂离子电池负极材料时，显示出优异的循环性能和倍率性能。所述氮掺杂碳包覆的二氧化钛的制备过程见图1。
[0020]实施例1步骤一：将2 mmol 2
‑
氨基对苯二甲酸加入到9 ml DMF和1 ml甲醇的混合溶液中，搅拌。
[0021]步骤二：向步骤一中的溶液中滴加260μL的钛酸四丁酯，搅拌。
[0022]步骤三：将混合溶液转移至水热釜中，放置于150℃的烘箱中24h。
[0023]步骤四：待溶剂热反应结束后自然降温，超声、乙醇洗涤数次，60℃干燥6 h。
[0024]步骤四：将步骤三干燥后的样品在800℃下煅烧2小时，得到氮掺杂碳包覆的二氧化钛。
[0025]电化学测试是通过组装CR2032 规格的纽扣电池进行的。
[0026]电极制备：按照 9:1:1 的质量比称量活性材料、粘结剂（聚偏氟乙烯，PVDF）和导电炭黑。首先将活性材料和炭黑转移至研钵中充分研磨混合之后，再加入粘结剂 PVDF 充
分混合研磨，之后滴入 NMP 溶剂，形成粘稠均匀的浆料。用刮刀将浆料均匀地涂覆在厚度为12 μm的铜箔上，并放置于105℃的真空烘箱中 12 h 后，使用压片机将涂覆浆料的铜箔裁剪成直径为 14 mm 的圆形电极片。由此制备出的每片电极上负载的活性材料的质量密度大约为 1mg/cm
‑1。
[0027]电池组装：在手套箱中采用上述制备好的电极片组装 CR2032 规格的纽扣电池，电解液采用的是 1M LiPF6溶液，溶剂是体积比为 1:1:1 的碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）和碳酸二甲酯（DMC）。隔膜采用 Celgard 2400 型号隔膜，对电极采用的是直径为 15 mm 的圆形锂片。
[0028]对该半电池进行电化学性能表征，通过 Neware 电池测试系统进行充放电测试。
[0029]从扫描电镜和透射电镜图（图2和图3中）可以看出，以实施例1得到氮掺杂碳包覆的二氧化钛呈现出立方体形貌，颗粒外部有一层碳层均匀地包覆在颗粒上；从XRD图（图4）中可以看出，样品的结晶性较好，明显的衍射峰可以归属于锐钛矿型TiO2。图5所示，以实施例1得到材料为锂离子电池负极材料在0.2A g
‑1电流密度下的循环性能图表示，材料的第二圈放电容量可达到162.7 mAh g
‑1，经过100次充放电循环后，放电容量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳包覆的二氧化钛的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将2
‑
氨基对苯二甲酸溶于DMF和甲醇的混合溶液中；步骤2，向混合溶液中滴加钛酸四丁酯，搅拌均匀；步骤3，将混合溶液进行溶剂热反应，溶剂热结束后超声、用乙醇清洗、干燥得到前驱体；步骤4，将前驱体在氮气气氛中、800℃下煅烧2小时得到氮掺杂碳包覆的二氧化钛。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，DMF和甲醇的体积比为...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝青丽，吴珂，王成鑫，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：