一种金红石型TiNbO4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金红石型TiNbO4负极材料及其制备方法和应用。本发明专利技术的金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，采用单一原料即无机的二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体为原料，一步氧化即可制备得到目标材料TiNbO4，该制备方法具有设备简单(可灵活选用管式炉或马弗炉等)，操作流程简便，不需要添加任何有机溶剂，安全环保等优点；所得产物具有层状堆积结构、纯度高、粒径小，该材料作为锂离子电池和钠离子电池负极展现出极大的应用潜力。力。力。

【技术实现步骤摘要】
一种金红石型TiNbO4负极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电池材料
，，尤其涉及一种金红石型TiNbO4负极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]碱金属离子电池(特别是锂/钠离子电池)作为可充电电池，是目前重要的储能技术之一。因其重量轻、能量密度高、工作电压高、无“记忆效应”、自放电小、循环寿命长等优点在近些年来受到人们的广泛关注。随着电动汽车、便携式消费电子产品、储能系统的应用日趋广泛，对锂/钠电池的需求随之增加，对其性能要求日渐提高。电极材料是影响碱金属离子电池性能的最重要因素之一，寻求比容量高、结构稳定的电极材料是推动碱金属离子电池发展的关键。
[0003]作为嵌入型负极材料的铌酸钛化合物(钛铌氧化合物，包括TiNb2O7、Ti2Nb2O9、TiNb
24
O
629
和Ti2Nb
10
O2等)具有较高的比容量、安全的嵌锂电位、快速嵌锂通道和稳定的嵌锂结构，成为研究高功率、长寿命锂离子动力电池负极的热点。目前已报道的铌酸钛材料的晶体结构主要属于单斜剪切ReO3型晶体结构，即其中钛和铌原子与氧配位形成八面体(NbO6/TiO6)，并通过八面体的边或顶点相连，形成的间隙构成嵌锂空间。但其较低的电子电导率限制了铌酸钛负极材料高倍率性能的发挥。
[0004]TiNbO4是最近发现的一种Li宿主材料。与大多数Ti和Nb的混合氧化物不同，TiNbO4对锂的存储没有相变。它通过一个纯的单相反应来存储锂离子。因此，这种纯单相金属离子插层的新型电极材料对高性能负极材料的开发具有重要意义，在金属离子电池(锂/钠/钾离子电池)领域极具应用前景。然而目前仅有极少量的几项研究成功制备了TiNbO4并用于金属离子电池，且目前制备TiNbO4的原料均为有机醇盐(钛酸四丁酯和乙醇铌)，价格昂贵且有一定挥发性和毒性，制备条件苛刻，制备过程复杂，难以大规模生产。基于此，有必要对现有技术进行改进。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种金红石型TiNbO4负极材料及其制备方法和应用，以解决现有技术中存在的缺陷。
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]制备二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体；
[0008]将二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体于900～1600℃下氧化2～10h，得到金红石型TiNbO4负极材料。
[0009]优选的是，所述的金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，所述二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体的制备方法包括以下步骤：
[0010]将钛粉、铌粉、铝粉、碳粉混合，得到混合物；
[0011]将混合物在保护气氛下，于1200～1600℃下煅烧2～20h，得到碳铝钛铌TiNbAlC；
[0012]向碳铝钛铌TiNbAlC中加入刻蚀剂，于80～120℃下保温12～36h，洗涤、干燥，得到述二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体。
[0013]优选的是，所述的金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，所述钛粉、铌粉、铝粉、碳粉的摩尔比为(1～1.2):(1～1.2):(1.1～1.3):(0.9～1.1)；
[0014]和/或，所述碳铝钛铌TiNbAlC与所述刻蚀剂的摩尔比为(0.5～2):(0.5～2)。
[0015]优选的是，所述的金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，所述刻蚀剂包括氟化锂、氟化钠、氟化钾、氟化氢铵、盐酸、氢氟酸中的至少一种。
[0016]优选的是，所述的金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，将混合物在保护气氛下，以0.5～20℃/min由室温升温至1200～1600℃，煅烧2～20h，得到碳铝钛铌TiNbAlC；
[0017]其中，所述保护气氛包括氮气、氩气、氦气、氖气中的至少一种。
[0018]优选的是，所述的金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，将二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体于900～1600℃下氧化2～10h的步骤中，氧化气氛包括空气、氧气、氧气与氩气的混合气、氧气与氮气的混合气中的任一种。
[0019]优选的是，所述的金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，将二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体，以0.5～20℃/min由室温升温至900～1600℃，煅烧2～10h，得到金红石型TiNbO4负极材料。
[0020]第二方面，本专利技术还提供了一种金红石型TiNbO4负极材料，采用所述的制备方法制备得到。
[0021]第三方面，本专利技术还提供了一种所述的制备方法制备得到金红石型TiNbO4负极材料或所述的金红石型TiNbO4负极材料在制备锂离子电池或钠离子电池中的应用。
[0022]第四方面，本专利技术还提供了一种锂离子电池或钠离子电池，包括所述的制备方法制备得到金红石型TiNbO4负极材料或所述的金红石型TiNbO4负极材料。
[0023]本专利技术相对于现有技术具有以下有益效果：
[0024]本专利技术的金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，采用单一原料即无机的二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体为原料，一步氧化即可制备得到目标材料TiNbO4，该制备方法具有设备简单(可灵活选用管式炉或马弗炉等)，操作流程简便，不需要添加任何有机溶剂，安全环保等优点；所得产物具有层状堆积结构、纯度高、粒径小，该材料作为锂离子电池和钠离子电池负极展现出极大的应用潜力。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为实施例1中制备得到的金红石型TiNbO4负极材料的XRD图；
[0027]图2为实施例1中制备得到的金红石型TiNbO4负极材料的SEM图；
[0028]图3为实施例1中制备得到的金红石型TiNbO4负极材料组装锂离子电池的倍率性能图；
[0029]图4为实施例1中制备得到的金红石型TiNbO4负极材料组装钠离子电池在1C下的循环性能图；
[0030]图5为实施例2中制备得到的金红石型TiNbO4负极材料的XRD图；
[0031]图6为实施例2中制备得到的金红石型TiNbO4负极材料的SEM图；
[0032]图7为实施例3中制备得到的金红石型TiNbO4负极材料的XRD图；
[0033]图8为实施例3中制备得到的金红石型TiNbO4负极材料的SEM图。
具体实施方式
[0034]下面将结合本专利技术实施方式，对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：制备二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体；将二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体于900～1600℃下氧化2～10h，得到金红石型TiNbO4负极材料。2.如权要求1所述的金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，其特征在于，所述二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体的制备方法包括以下步骤：将钛粉、铌粉、铝粉、碳粉混合，得到混合物；将混合物在保护气氛下，于1200～1600℃下煅烧2～20h，得到碳铝钛铌TiNbAlC；向碳铝钛铌TiNbAlC中加入刻蚀剂，于80～120℃下保温12～36h，洗涤、干燥，得到述二维层状双过渡金属碳化物TiNbC MXene前驱体。3.如权要求2所述的金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，其特征在于，所述钛粉、铌粉、铝粉、碳粉的摩尔比为(1～1.2):(1～1.2):(1.1～1.3):(0.9～1.1)；和/或，所述碳铝钛铌TiNbAlC与所述刻蚀剂的摩尔比为(0.5～2):(0.5～2)。4.如权要求2所述的金红石型TiNbO4负极材料的制备方法，其特征在于，所述刻蚀剂包括氟化锂、氟化钠、氟化钾、氟化氢铵、盐酸、氢氟酸中的至少一种。5.如权要求2所述的金红石型TiNb...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛野，朱军，许章伟，谭丽丹，李轩科，朱辉，
申请(专利权)人：十堰吉度新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：