一种Nb2O5复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种Nb2O5复合材料及其制备方法和应用，属于无机纳米材料及电化学领域。本发明专利技术的Nb2O5复合材料兼具了Nb2O5高赝电容性能和掺杂多孔炭高导电性，高孔隙率以及多储能位点的优点：Nb2O5在镁锂混合电解液中具有高赝电容性能；多孔炭的孔道可实现Nb2O5与电解液中的正离子接触，容纳正离子的穿出穿入，提高了Nb2O5复合材料作为镁锂混合电池的正极材料时的电容量；并且多孔炭共掺杂的氮、硫和磷能够提供锂或者镁离子储存位点，进一步提高Nb2O5复合材料的电容量；此外，Nb2O5复合材料的核壳型结构和外壳中的多孔结构共同作用使Nb2O5避免了在充放电过程体积变化导致的破坏，提高了循环稳定性。提高了循环稳定性。提高了循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种Nb2O5复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于无机纳米材料及电化学领域，具体涉及一种Nb2O5复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]镁锂混合电池直接采用镁金属/合金作为负极，配合具有高电容/高压的Li
+
或Mg
2+
插层/转换材料作为正极，再辅助以Mg
2+
和Li
+
双离子有机液为电解液。由于镁锂混合电池可以结合锂离子电池的高电容/高压正极、较快的正离子嵌入速度和镁电池中的高容量/少枝晶镁金属负极的优点，而受到人们极大的关注。
[0003]目前镁锂混合电池正极材料可选择的余地很大，可以是典型的锂电正极材料，也可以是镁电池正极材料，还可以是两种共用的正极材料，例如LiFePO4、普鲁士蓝、Mo6S8、Li4Ti5O
12
等，但它们仍未能解决容量低、倍率性能差、循环稳定性差的问题，比如：以这些材料作为正极时，在低电流密度(0.01～0.02Ag
‑1) 下，其容量不超过200mAhg
‑1，倍率性能差，循环次数不超过200次。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种Nb2O5复合材料及其制备方法和应用，以本专利技术的Nb2O5复合材料作为正极的镁锂混合电池容量高、循环稳定性好。
[0005]本专利技术提供了一种Nb2O5复合材料，包括内核和外壳，所述内核为Nb2O5，所述外壳为氮、硫和磷共掺杂的多孔炭。
[0006]优选的，所述多孔炭的孔径小于100nm，比表面积为5～200m2/g，孔容为 0.01～0.1cm3/g；所述外壳的厚度为10～50nm。
[0007]优选的，所述Nb2O5为正交相Nb2O5。
[0008]优选的，所述Nb2O5复合材料的粒径为5～550nm。
[0009]本专利技术还提供了上述方案所述Nb2O5复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010]将含有六氯环三磷腈与4,4
’
磺酰基二苯酚的有机溶液和Nb2O5的分散液混合，得到混合物；
[0011]将所述混合物与三烷基胺混合，进行聚合反应，所述六氯环三磷腈与4,4
’
磺酰基二苯酚发生聚合包覆在Nb2O5表面，得到包覆Nb2O5的聚磷腈
‑
酚纳米微球；
[0012]将所述包覆Nb2O5的聚磷腈
‑
酚纳米微球在惰性气体中进行煅烧碳化，在Nb2O5表面形成氮、硫和磷共掺杂的多孔炭，得到所述Nb2O5复合材料。
[0013]优选的，所述混合物中，六氯环三磷腈、4,4
’
磺酰基二苯酚与Nb2O5的质量比为250～350：500～700：200～1000。
[0014]优选的，所述Nb2O5的分散液的浓度为0.5～5Kg/m3。
[0015]优选的，所述煅烧包括依次进行第一煅烧、升温和第二煅烧；所述第一煅烧的温度为200～500℃，保温时间为0.5～2h；所述第二煅烧的温度为500～900℃，保温时间为2～
4h。
[0016]优选的，所述三烷基胺包括三乙胺；所述三烷基胺与六氯环三磷腈的质量比为1：250～1000。
[0017]本专利技术还提供了上述方案所述的Nb2O5复合材料或上述方案所述制备方法制备的Nb2O5复合材料作为正极材料在镁锂混合电池中的应用。
[0018]本专利技术提供了一种Nb2O5复合材料，包括内核和外壳，所述内核为Nb2O5，所述外壳为氮、硫和磷共掺杂的多孔炭。本专利技术的Nb2O5复合材料兼具了Nb2O5高赝电容性能和掺杂多孔炭高导电性、高孔隙率以及多储能位点的优点：Nb2O5在镁锂混合电解液中具有高赝电容性能；多孔炭的孔道可实现Nb2O5与电解液中的正离子(镁离子和锂离子)接触，容纳正离子的穿出穿入，提高了Nb2O5复合材料作为镁锂混合电池的正极材料时的电容量；并且多孔炭共掺杂的氮、硫和磷能够提供锂或者镁离子储存位点，进一步提高Nb2O5复合材料的电容量；此外，Nb2O5复合材料的核壳型结构和外壳中的多孔结构共同作用使Nb2O5避免了在充放电过程体积变化导致的破坏，提高了循环稳定性。实施例结果表明，以本专利技术的Nb2O5复合材料作为正极的镁锂混合电池容量可超过200mAhg
‑1，并且在循环2200次后，库伦效率仍接近100％。
附图说明
[0019]图1是实施例3制备的Nb2O5复合材料的低放大倍数SEM图；
[0020]图2是实施例3制备的Nb2O5复合材料的高放大倍数SEM图；
[0021]图3是实施例3制备的Nb2O5复合材料的氮气的脱附吸附图；
[0022]图4是实施例3制备的Nb2O5复合材料的氮气的吸附脱附曲线所对应的孔径大小分布图；
[0023]图5是实施例3制备的Nb2O5复合材料电极材料的透射电镜图；
[0024]图6是实施例3制备的Nb2O5复合材料电极材料的高倍透射电镜图；
[0025]图7是应用例1镁锂混合电池的循环伏安图；
[0026]图8是应用例1镁锂混合电池的恒流充放电图；
[0027]图9是应用例1镁锂混合电池在2A/g的电流密度下的循环曲线。
[0028]图10是对比应用例1镁锂混合电池在不同电流密度下的循环曲线。
具体实施方式
[0029]本专利技术提供了一种Nb2O5复合材料，包括内核和外壳，所述内核为Nb2O5，所述外壳为氮、硫和磷共掺杂的多孔炭。
[0030]在本专利技术中，所述多孔炭的孔径优选小于100nm，更优选为20～80nm，进一步优选为40～60nm；比表面优选为5～200m2/g，更优选为50～150m2/g，进一步优选为100～120m2/g；孔容优选为0.01～0.1cm3/g，更优选为0.049～0.5cm3/g，进一步优选为0.1～0.3cm3/g。所述外壳的厚度优选为10～50nm，更优选为20～45nm，进一步优选为30～40nm。在本专利技术中，所述Nb2O5优选为正交相Nb2O5。在本专利技术中，所述Nb2O5复合材料的粒径优选为5～550nm，更优选为20～400nm，进一步优选为50～300nm。
[0031]本专利技术的Nb2O5复合材料同时具备了多孔炭和Nb2O5两者高的电容量及优异的循环
稳定性，多孔炭的孔道可实现Nb2O5与电解液中的正离子(镁离子和锂离子)接触，容纳正离子的穿出穿入，提高了Nb2O5复合材料作为镁锂混合电池的正极材料时的电容量；并且多孔炭共掺杂的氮、硫和磷能够提供锂或者镁离子储存位点，进一步提升Nb2O5复合材料的电容量；此外，Nb2O5复合材料的核壳型结构和较高的比表面积共同作用使Nb2O5避免了在充放电过程体积变化导致的破坏，提高了循环稳定性。
[0032]本专利技术还提供了上述方案所述Nb2O5复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0033]将含有六氯环三磷腈与4,4
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Nb2O5复合材料，其特征在于，包括内核和外壳，所述内核为Nb2O5，所述外壳为氮、硫和磷共掺杂的多孔炭。2.根据权利要求1所述的Nb2O5复合材料，其特征在于，所述多孔炭的孔径小于100nm，比表面积为5～200m2/g，孔容为0.01～0.1cm3/g；所述外壳的厚度为10～50nm。3.根据权利要求1所述的Nb2O5复合材料，其特征在于，所述Nb2O5为正交相Nb2O5。4.根据权利要求1或2所述的Nb2O5复合材料，其特征在于，所述Nb2O5复合材料的粒径为5～550nm。5.权利要求1～4任一项所述Nb2O5复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将含有六氯环三磷腈与4,4
’
磺酰基二苯酚的有机溶液和Nb2O5的分散液混合，得到混合物；将所述混合物与三烷基胺混合，进行聚合反应，所述六氯环三磷腈与4,4
’
磺酰基二苯酚发生聚合包覆在Nb2O5表面，得到包覆Nb2O5的聚磷腈
‑
酚纳米微球；将所述包覆Nb2O5的聚磷腈...

【专利技术属性】
技术研发人员：王培煜，张国恒，陈万军，王向丽，刘利伟，陈琼，邓小燕，杨乐，焦海燕，李毛才让，安秀加，程建云，
申请(专利权)人：西北民族大学，
类型：发明
国别省市：