一种铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法及其产品、应用技术

本发明专利技术提出了一种利用铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法，即结合简单的溶剂热和热处理工艺，通过铝掺杂和还原气氛处理引入了一定量的O2‑

【技术实现步骤摘要】
一种铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法及其产品、应用


[0001]本专利技术属于锂离子电池
，具体涉及一种铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法及其产品、应用。

技术介绍

[0002]作为储能器件的重要代表之一，锂离子电池因其能量密度高、使用寿命长等优点而受到广泛关注。而快速充电作为下一代锂离子电池的关键要求之一，致使高倍率电极材料的发展。目前石墨等碳基材料(理论比容量为372mAh g
‑1)是常用的锂离子电池负极材料。然而，石墨的倍率性能有限，初始容量损失大，远远不能满足高倍率、高能量密度器件的要求。其他插入型材料如Li4Ti5O
12
具有良好的安全性能，但其较低的理论比容量(140mAh g
‑1)极大地限制了电池的输出能量密度。因此，开发具有高容量以及优良结构稳定性的高倍率电极材料对发展长寿命的快充电化学器件具有重要意义。
[0003]近年来，五氧化二铌(Nb2O5)因其超快的锂储存动力学而引发关注，成为发展高倍率锂离子电池的极具潜力的负极材料。对于不同晶体形态的Nb2O5,正交型的五氧化二铌(T
‑
Nb2O5)作为一种插层赝电容材料已被广泛研究。其结构上主要由高度扭曲的八面体(NbO6)和五边形双锥体(NbO7)骨架组成。这种开放的框架结构为离子输送提供了稳定的宿主和高速通道，从而实现了微米尺度粒子的高倍率能量存储。此外，T
‑
Nb2O5表现出的插层赝电容行为有利于倍率性能的提高。然而，T
‑
Nb2O5的低电导率(300K时为3
×
10
‑6S cm
‑1)以及在低截止电压下的不稳定性极大地限制了其充放电容量和高倍率性能的发挥。因此，有必要开发一种操作简单的方法改善T
‑
Nb2O5在快速充放电过程中的综合性能，充分发挥其快充潜力。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法，提高了五氧化二铌的电导率和结构稳定性，从而达到全面提升倍率性能和循环性能的目的
[0005]本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
[0006]一种铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法，通过在五氧化二铌的制备过程中掺杂铝，实现五氧化二铌快充性能的提升，具体包括如下步骤：
[0007]1)将适量的铌源、铝源以及有机配体在有机溶剂中混合；
[0008]2)将步骤1)所得混合溶液进行溶剂热反应，反应结束后分离出固体产物；
[0009]3)将步骤2)所得固体产物进行热处理，得到具有快充性能的改性五氧化二铌材料。
[0010]按上述方案，步骤1)中，所用的铌源选自五氯化铌、乙醇铌等，铝源选自九水合硝酸铝、乙酰丙酮铝等，有机配体为二甲基咪唑等，有机溶剂为乙醇。
[0011]按上述方案，步骤1)中，铝源和铌源中Al：Nb的摩尔比计为1：50～1：20，铌源与有机配体的摩尔比计为1：10～1：15，铌源、铝源以及有机配体在有机溶剂中的总浓度为0.02
～0.04g/mL。
[0012]按上述方案，步骤2)中，溶剂热反应需在180～200℃温度下保持12～24h。
[0013]按上述方案，步骤3)中，热处理需在高温管式炉中进行，采用的烧结气氛为氢氩混合气体(氢气与氩气的体积比一般在3％/97％～5％/95％之间)，热处理的方式为2～5℃/min升温到750
‑
850℃并保温2
‑
5h，自然冷却到室温后取出。
[0014]上述方法得到具有稳定快充性能的改性五氧化二铌材料是一种直径为0.5～3μm的微米球，由铝掺杂五氧化二铌纳米颗粒和氮掺杂碳基体骨架密实堆积而成。
[0015]上述具有稳定快充性能的改性五氧化二铌材料作为锂离子电池负极材料应用，可以实现在大电流密度下(2A g
‑1～20A g
‑1)的快速稳定锂存储。
[0016]本专利技术设计了一种改善五氧化二铌快充性能的方法。通过金属离子与有机配体在溶剂热过程中配位，随后在还原气氛下煅烧，使铝离子部分取代五氧化二铌基体中的铌离子，形成铝掺杂五氧化二铌纳米颗粒嵌入氮掺杂碳基体骨架中；铝掺杂和还原气氛处理引入了一定量的O2‑
空位和低氧化态Nb
4+
，提高了离子导电性和电导率；铝离子对铌离子的取代，提高了五氧化二铌的晶格稳定性，降低了铌离子在电池循环中的不良跃迁，稳定了快充过程中的容量，提高了快充的循环稳定性。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：利用简单的溶剂热反应以及还原气氛下热处理工艺制备出具有稳定快充性能的改性五氧化二铌材料，通过铝掺杂提高其结构稳定性和电导率，使其在高充放电倍率下表现出优异的电化学性能。该具有稳定快充性能的改性五氧化二铌材料作为锂离子电池的负极材料时，在0.1A g
‑1的电流密度下，具有～430mAh g
‑1的可逆比容量；在20A g
‑1的大电流密度下，经过9900次循环后仍可保持82mAh g
‑1的可逆比容量，展现了在高倍率充放电过程中的长期稳定性。
附图说明
[0018]图1是实施例1制备的具有快充性能的改性五氧化二铌材料的XRD图(a)、TEM图(b
‑
c)和EELS mapping图(d)；
[0019]图2是实施例1制备的具有快充性能的改性五氧化二铌材料的EDS元素分布图(a)和相应区域的EDS谱(b)；
[0020]图3是实施例1制备的具有快充性能的改性五氧化二铌材料截面的原子级EDS元素分布图；
[0021]图4是实施例1制备的具有快充性能的改性五氧化二铌材料的(a)Al 2p,(b)O1s和(c)Nb 3d的高分辨XPS光谱。
[0022]图5是实施例1制备的Al
‑
Nb2O5@NC(a)以及对比例1制备的Nb2O5@NC(b)的前三个循环的循环伏安曲线，扫速为0.2mV s
‑1，扫描范围为0.01～3V；
[0023]图6是电压区间0.01～3V的电化学性能图：(a)为实施例1制备的Al
‑
Nb2O5@NC以及对比例1制备的Nb2O5@NC在0.1A g
‑1的电流密度下的循环性能对比图；(b)为实施例1制备的Al
‑
Nb2O5@NC以及对比例1制备的Nb2O5@NC从0.1A g
‑1到2A g
‑1的不同电流密度下倍率性能；(c)(d)分别为实施例1制备的Al
‑
Nb2O5@NC以及对比例1制备的Nb2O5@NC在2A g
‑1和20A g
‑1的大电流密度下的长循环性能对比图。
[0024]图7为在半电池中循环后的非原位STEM图。(a)为实施例1制备的Al
‑
Nb2O5@NC沿
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法，其特征在于：通过在五氧化二铌的制备过程中掺杂铝，实现五氧化二铌快充性能的提升，具体包括如下步骤：1)将适量的铌源、铝源以及有机配体在有机溶剂中混合，得到混合溶液；2)将步骤1)所得混合溶液进行溶剂热反应，分离固体产物；3)将步骤2)所得固体产物进行热处理，得到具有稳定快充性能的改性五氧化二铌材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，所用的铌源选自五氯化铌、乙醇铌中的一种或两种，铝源选自九水合硝酸铝、乙酰丙酮铝中的一种或两种，有机配体为二甲基咪唑，有机溶剂为乙醇。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，铝源和铌源中Al：Nb的摩尔比计为1：50～1：20，铌源与有机配体的摩尔比计为1：10～1：15，铌源、铝源以及有机配体在有机溶剂中的总浓度为0.02～0.04g/mL。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中，溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴劲松，朱珠，刘芳，王红，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：