一种快充负极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快充负极材料及其制备方法和应用，所述快充负极材料包括钛铌氧化物，所述钛铌氧化物的表面包覆有氮掺杂氧化石墨烯。本发明专利技术采用氮掺杂氧化石墨烯对钛铌氧化物进行包覆，氧化石墨烯表面活泼，且结构为单一的原子层，其作为钛铌氧化物的包覆层能够降低Li

【技术实现步骤摘要】
一种快充负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池
，涉及一种快充负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在电动汽车的使用过程中，充电时间和续航里程被重点关注，但是目前的技术水平下，电动汽车很难同时拥有短的充电时间和长的续航里程。因此，动力电池发展了两条路线：一是关注续航里程比能，主要是通过不断提高锂离子电池的比能，从而增加电动汽车的续航里程；第二种是快速充电，侧重于减少充电时间，主要是通过提高锂离子电池的快充性能，来缩短电动汽车的充电时间。要理解快充，一个技术术语是不可避免的——充放电速率C，C可以简单理解为充放电的速率。锂离子电池的充放电速率决定了一定量的能量储存到电池中或者从电池中释放的时间的长短。
[0003]把锂离子电池比作摇椅，摇椅的两端就是电池的正负极，锂离子在摇椅的两端脱出嵌入。充电时，电池正极产生锂离子，产生的锂离子通过电解液向负极移动。作为负极材料的碳具有层状结构，内部包含许多微孔，快充过程中，锂离子快速嵌入碳微孔中。嵌入的锂离子越多，充电容量越高。但是快速接受太多的锂离子使得碳材料结构发生变化，影响电芯的循环和稳定性，因此，锂离子电池负极碳的快充能力有限。
[0004]与传统负极材料石墨相比，钛酸锂电池的充电倍率已经达到20C，而常规石墨负极材料的充电倍率仅有1～4C，因此钛酸锂是一种具备优异快充性能的负极材料。并且，作为电池负极材料，钛酸锂在充放电过程中结构基本不会发生变化，被称为“零张力”材料，这更有利于电池的长循环性能。此外，钛酸锂的氧化还原电位高，可以避免电池循环过程中SEI膜的生成。在25℃下，钛酸锂的化学扩散系数为2*10
‑8cm2/s，具有优于碳材料的扩散系数，更高的扩散系数使得钛酸锂比碳材料更能够进行高倍率充放电，更适用于快充体系电池。但是，钛酸锂的理论克容量只有175mAh/g，不利于电池整体能量密度的提升。
[0005]钛铌氧化物(TNO)是在钛酸锂的基础上发展起来的，理论克容量为280mAh/g，最新研究表明，通过调配钛元素和铌元素的比例，钛铌氧化物的克容量最高可以达到387mAh/g。并且钛铌氧化物也具有“零张力”特性，锂离子在嵌入脱出的同时材料体积变化又很小，因此，钛铌氧化物是一种具有较高能量密度和潜在快充性能的负极材料。但是，钛铌氧化物的能带间隙较宽，没有未成对电子等材料特性，导致材料导电性较差，阻碍了Li
+
的扩散，严重限制了储锂性能。
[0006]综上，改善钛铌氧化物的离子扩散动力学，制备一种具有优异快充性能的负极材料对锂离子电池的研究和发展具有重要意义。

技术实现思路

[0007]针对现有技术中的问题，本专利技术的目的在于提供一种快充负极材料及其制备方法和应用。本专利技术采用氮掺杂氧化石墨烯对钛铌氧化物进行包覆，氧化石墨烯表面活泼，且结构为单一的原子层，其作为钛铌氧化物的包覆层能够降低Li
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在材料和电解液之间穿梭所
需能量；同时，氮元素的掺杂导致氧化石墨烯的氧元素溢出，表面产生更多氧空位，与TNO结合可以减小TNO的能带宽度，提高TNO的电子电导率，从而提升TNO的快充性能，最终得到的快充负极材料具有较高的比容量以及优异的倍率性能和循环性能。
[0008]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种快充负极材料，所述快充负极材料包括钛铌氧化物，所述钛铌氧化物的表面包覆有氮掺杂氧化石墨烯。
[0010]本专利技术采用氮掺杂氧化石墨烯对钛铌氧化物进行包覆，石墨烯经过氧化后，表面含氧官能团增多，使得氧化石墨烯表面更加活泼，可与各种含氧官能团反应进而改善本身性质，并且氧化石墨烯为单一的原子层，将其作为钛铌氧化物的包覆层能够降低Li
+
在材料和电解液之间穿梭所需能量，还能够缓解Li
+
在大倍率充放电时快速脱嵌过程中的体积变化；同时，氮元素的掺杂导致氧化石墨烯的氧元素溢出，表面产生更多氧空位，氧空位增加了电极/电解质的接触面积，缩短了锂离子和电子的扩散距离，氮掺杂氧化石墨烯与TNO结合可以减小TNO的能带宽度，提高TNO的电子电导率，提升TNO的快充性能，氮掺杂氧化石墨烯和钛铌氧化物二者协同作用，最终得到的快充负极材料具有较高的比容量以及优异的倍率性能和循环性能。
[0011]优选地，所述钛铌氧化物的化学式为Ti
x
Nb
y
O，其中0.8＜x＜1.2，例如可以是0.8、0.85、0.9、0.95、1.0、1.1或1.2等，1.9＜y＜2.1，例如可以是1.9、1.92、1.95、1.98、2.0、2.03、2.05、2.08或2.1等。
[0012]本专利技术中通过进一步优化钛铌氧化物中钛和铌的比例，进一步提升钛铌氧化物晶体结构稳定性，晶体的高稳定性使得钛铌氧化物在大倍率充放电下依然具有优异的倍率性能，提高循环容量保持率。
[0013]优选地，以所述快充负极材料的质量为100％计，所述钛铌氧化物的含量为94.5～97.5％，例如可以是94.5％、95％、95.5％、96％、96.5％、97％或97.5％等。
[0014]优选地，以所述快充负极材料的质量为100％计，所述氮掺杂氧化石墨烯中氧化石墨烯的含量为2～5％，例如可以是2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％或5％等。
[0015]优选地，以所述快充负极材料的质量为100％计，所述氮掺杂氧化石墨烯中氮的含量为0.1～0.5％，例如可以是0.1％、0.13％、0.15％、0.18％、0.2％、0.23％、0.25％、0.28％、0.3％、0.32％、0.35％、0.38％、0.4％、0.45％或0.5％等。
[0016]本专利技术中，快充负极材料中钛铌氧化物与氮掺杂氧化石墨烯以合适的比例混合，并调控氮的掺杂量，能够充分发挥氮掺杂氧化石墨烯和钛铌氧化物之间的协同效果，缩短锂离子和电子的扩散距离，减小钛铌氧化物的能带宽度，提高钛铌氧化物的电导率，进一步提高快充负极材料的容量和快充性能。
[0017]第二方面，本专利技术提供了一种根据第一方面所述的快充负极材料的制备方法，所述制备方法包括：
[0018](1)将钛源和铌源混合，得到混合溶液，将所述混合溶液滴加至基材表面，煅烧，并重复所述滴加和煅烧的操作，所述重复的次数为至少两次，在基材表面得到至少两层钛铌氧化物；
[0019](2)将氧化石墨烯滴加在步骤(1)所述钛铌氧化物的表面，冷冻干燥后，通入氮源进行磁控溅射，在基材表面得到快充负极材料。
[0020]本专利技术中，所述重复的次数为至少两次，例如可以是重复一次，在基材表面得到两层钛铌氧化物，可以是重复两次，在基材表面得到三层钛铌氧化物，可以是重复四次，在基材表面得到五层钛铌氧化物，可以是重复十次，在基材表面得到十一层钛铌氧化物等。
[0021]本专利技术将钛源和铌源以溶液形式混合并逐滴滴加到基材表面进行逐层煅烧，在基材表面负载多层钛本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快充负极材料，其特征在于，所述快充负极材料包括钛铌氧化物，所述钛铌氧化物的表面包覆有氮掺杂氧化石墨烯。2.根据权利要求1所述的快充负极材料，其特征在于，所述钛铌氧化物的化学式为Ti
x
Nb
y
O7，其中0.8＜x＜1.2，1.9＜y＜2.1。3.根据权利要求1或2所述的快充负极材料，其特征在于，以所述快充负极材料的质量为100％计，所述钛铌氧化物的含量为94.5～97.5％；优选地，以所述快充负极材料的质量为100％计，所述氮掺杂氧化石墨烯中氧化石墨烯的含量为2～5％；优选地，以所述快充负极材料的质量为100％计，所述氮掺杂氧化石墨烯中氮的含量为0.1～0.5％。4.一种根据权利要求1
‑
3任一项所述的快充负极材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：(1)将钛源和铌源混合，得到混合溶液，将所述混合溶液滴加至基材表面，煅烧，并重复所述滴加和煅烧的操作，所述重复的次数为至少两次，在基材表面得到至少两层钛铌氧化物；(2)将氧化石墨烯滴加在步骤(1)所述钛铌氧化物的表面，冷冻干燥后，通入氮源进行磁控溅射，在基材表面得到快充负极材料。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述钛源中的Ti和铌源中的Nb的摩尔比为Ti:Nb＝(0.8～1.2):(1.9～2.1)；优选地，步骤(1)所述钛源包括二氧化钛；优选地，步骤(1)所述铌源包括五氧化二铌；优选地，步骤(1)所述基材包括无机玻璃板；优选地，步骤(1)所述煅烧的温度为1000～1200℃；优选地，步骤(1)所述煅烧的时间为20～40min。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述将氧化石墨烯滴加在步骤(1)所述钛铌氧化物的表面的过程中，所述氧化石墨烯以氧化石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩永琪，张欢，朱智渊，刘范芬，苑丁丁，
申请(专利权)人：湖北亿纬动力有限公司，
类型：发明
国别省市：