【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学，具体涉及一种无定形铌氧化物负极材料及其制备方法和深海储能快充电池。
技术介绍
1、目前，面向岛礁分布式能源的低成本储能系统的开发意义重大。其中，作为南海岛礁分布式储能器件，锂离子电池由于其长寿命，高能效和工艺简单的优点，在当前的大规模深海储能系统占据主导地位。目前商业化的动力型锂离子电池以石墨为负极、高镍三元过渡金属氧化物/磷酸铁锂为正极和碳酸酯类锂盐溶液为电解液。前人研究显示，在高倍率条件下负极容量衰减速率远高于正极材料的容量衰减速率。其最重要的原因在于石墨负极具有较低（0.1-0.2 v）的嵌锂电位，在快速充放电过程中易形成锂枝晶，从而引发电池短路造成严重的电池安全问题。因此，开发同时具有快充、高容量、长寿命和高安全等特性的新型负极材料体系，是推进下一代快充锂离子动力电池发展的关键。
2、近十年来，关于嵌入型铌基氧化物的研究取得了一系列的进展。五氧化二铌金属氧化物（nb2o5）具有较快的离子传输动力学和丰富的氧化还原电对，因此具有较高的理论容量（202 mah g-1）和优异的倍率性能。作为极具潜力的可替代商业的快充负极材料，有望用于南海岛礁分布式储能系统。但是，铌氧化物是一种电子绝缘体，且离子扩散动力学相对缓慢，其较差的导电性会大大限制其电化学容量和快速充电能力，高倍率下电化学性能损失严重进而不利于其应用于深海储能电池的电极材料。因此，仍需要进一步优化才能适应更为严苛的深海环境。
3、目前，为了缩短锂离子传输路径，增大锂离子传输面积，提高离子反应动力学，现有方法以改性铌氧化物材
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种独特的无定形铌氧化物负极材料及其制备方法和深海储能快充电池，该方法由五氯化铌作为铌源，结合简单的错配反应和中高温烧结，得到无定形a-nb2o5-c纳米颗粒，即为无定形铌氧化物负极材料。该快充材料的平均直径小于100nm，且c、nb、o元素在材料中均匀分布。该负极材料是改善五氧化二铌的晶体结构，并引入共价碳增加结构稳定性。独特的非晶结构和强的nb-o-c键可以有效稳定晶体主体结构、扩大离子扩散通道、提高电子导电性、进而增强锂离子电池快充储能；该改性方法工艺简单、可行性高，能够可批量生产制备了具有良好循环稳定性、高倍率等电化学性能的锂离子电池负极材料；利用该负极材料用于面向南海岛礁分布式储能系统的应用，具有不可估量的科学性意义和实际应用前景。
2、为实现上述目的，本专利技术所设计一种可稳定快充的无定形铌氧化物负极材料的制备方法，包括以下步骤：
3、1）有机配体溶液的制备：将对苯二甲酸搅拌溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，充分搅拌直至得到澄清溶液1；
4、2）金属铌溶液的制备：将五氯化铌溶解于n,n-二甲基甲酰胺中，充分搅拌直至得到澄清溶液2；
5、3）金属铌-有机配体前驱体溶液的混合：将步骤1）得到的澄清溶液1于步骤2）得到的澄清溶液2充分混合，得到混合液；
6、4）金属铌-有机配体前驱体溶液的制备：将混合液转移到高压反应釜内，将反应釜置于烘箱中进行水热反应，得到反应液；
7、5）金属铌-有机配体前驱体的合成：将步骤3）所得反应液进行离心得到沉淀物，利用醇类化合物洗涤沉淀物，烘干，从而得到前驱体材料；
8、6）无定形铌氧化物的制备：将前驱体材料进行中高温煅烧，自然冷却至室温即得到无定形nb2o5纳米颗粒，即为无定形铌氧化物负极材料。
9、其中，步骤4）中，反应液中金属铌离子和有机配体之间发生配位反应。由于形成了不匹配的成键角/畸变的多面体，金属铌离子和有机配体形成无定形的金属配体复合物，属于配位聚合物。由此形成的金属配体复合物主要归因于配位键和分子间作用力（包括范德华力、π-π 相互作用、氢键和极化键对π 键的稳定作用）的形成。步骤5）中，一般用乙醇或者异丙醇，去除前期水热过程中的杂质离子（如：氯离子）。步骤6）中，经过中高温煅烧时，前驱体进行原位碳化热解后，形成形态均一的纳米级铌氧化物。
10、进一步地，所述步骤1）中，对苯二甲酸和n,n-二甲基甲酰胺的质量体积比为0.005-0.085 g/ml。
11、再进一步地，所述步骤2）中，无水五氯化铌和n,n-二甲基甲酰胺的质量体积比为0.01-0.03 g/ml。
12、再进一步地，所述步骤3）中，步骤1）得到的澄清溶液1与步骤2）得到的澄清溶液2的体积比为1:1-1:3。
13、再进一步地，述步骤4）中，温度为160-220 ℃，反应时间为6-48h。
14、再进一步地，所述步骤5）中，烘箱温度为50-90 ℃，烘干时间为6-48h。
15、再进一步地，所述步骤6）中，高温煅烧条件如下：升温速度为2-5 ℃/min，由室温升温至500-550 ℃，煅烧时间为2-6h。
16、再进一步地，所述负极材料的平均直径小于100nm。
17、本专利技术还提供了一种上述方法制备得到的无定形铌氧化物负极材料，所述可稳定快充的无定形铌氧化物负极材料由五氯化铌作为铌源，结合错配反应和中高温煅烧后制成；其中，所述负无定形铌氧化物负极材料的平均直径小于100nm，且c、nb、o元素在负极材料中均匀分布。
18、本专利技术还提供了一种深海储能快充电池的负极片，所述负极片包括上述方法制得的无定形铌氧化物负极材料。
19、本专利技术还提供了一种深海储能快充电池，所述深海储能快充电池包括上述的负极片。
20、与现有技术相比，本专利技术取得的有益效果有：
21、1.本专利技术结合简单的错配反应和中高温煅烧技术，合成独特的非晶铌氧化物纳米颗粒。其中，通过错配反应合成金属-有机配体的前驱体，由于配位键和分子间作用力的形成，所获得的金属-配体化合物具有丰富的错配键角和金属扭曲多面体。通过控制中高温煅烧的煅烧温度，前驱体原位碳化，得到形貌均一的非晶态纳米级铌氧化物。通过控制煅烧气氛，形成含强nb-o-c共价键（共价碳）的非晶铌氧化物结构。 由于非晶结构和共价碳的增强，材料可以在充放电过程中保持结构稳定性，抑制不可逆相变，从而实现稳定的快充储锂性能。所制备的无定形铌氧化物纳米颗粒具有高电子电导率，快的扩散动力学，从而表现出优异的电化学容量和倍率性能。
22、2.本方法通过精确控制各步骤中原料的比例和反应条件，如对苯二甲酸与n,n-二甲基甲酰胺的质量体积比、五氯化铌与溶剂的比例、溶液混合比例、水热反应温度和时间以及烘干温度和时间等，确保了无定形铌氧化物负极材料的均匀性和一致性。
23、3.本方法采用对苯二甲酸作为有机配体与五氯化铌进行错配反应，有效调控铌氧化物的成核与生长过程，得到粒径小于100nm的纳米颗粒；通过特定烧结温度将前驱体材料在500-550℃下煅烧一定时间，成功制备出无定形铌氧化物负极材料本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中，对苯二甲酸和N,N-二甲基甲酰胺的质量体积比为0.005-0.085 g/mL。
3.根据权利要求1所述的无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，无水五氯化铌和N,N-二甲基甲酰胺的质量体积比为0.01-0.03 g/mL。
4.根据权利要求1所述的无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，步骤1）得到的澄清溶液1与步骤2）得到的澄清溶液2的体积比为1:1-1:3。
5.根据权利要求1所述的无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中，反应温度为160-220 ℃，反应时间为6-48h。
6.根据权利要求1所述的无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5）中，烘箱温度为50-90 ℃，烘干时间为6-48h。
7.根据权利要求1所述的无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤
8.一种权利要求1-7任一项所述的的制备方法制得的无定形铌氧化物负极材料，其特征在于：所述无定形铌氧化物负极材料由五氯化铌作为铌源，结合错配反应和中高温煅烧后制成；其中，所述无定形铌氧化物负极材料的平均直径小于100nm，且C、Nb、O元素在负极材料中均匀分布。
9.一种深海储能快充电池的负极片，其特征在于：所述负极片包括权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的无定形铌氧化物负极材料。
10.一种深海储能快充电池，其特征在于：所述深海储能快充电池包括权利要求9所述的负极片。
...【技术特征摘要】
1.一种无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1）中，对苯二甲酸和n,n-二甲基甲酰胺的质量体积比为0.005-0.085 g/ml。
3.根据权利要求1所述的无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，无水五氯化铌和n,n-二甲基甲酰胺的质量体积比为0.01-0.03 g/ml。
4.根据权利要求1所述的无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中，步骤1）得到的澄清溶液1与步骤2）得到的澄清溶液2的体积比为1:1-1:3。
5.根据权利要求1所述的无定形铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中，反应温度为160-220 ℃，反应时间为6-48h。
6.根据权利要求1所述的无定形铌氧化物负极...
【专利技术属性】
技术研发人员：安琴友，陈京辉，周亮，张磊，孟甲申，
申请(专利权)人：武汉理工大学三亚科教创新园，
类型：发明
国别省市：
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