本发明专利技术涉及介孔的基本上纯的锐钛矿氧化钛(介孔TiO2)的制备，以及其在电化学装置、尤其是锂离子电池中的用途。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术一般涉及介孔的基本上100%锐钛矿ニ氧化钛(本文称作介孔TiO2)的制备，以及其在电化学装置、例如尤其是锂离子电池中的用途。
技术介绍
纳米结构的材料因其在重量能量密度方面的高存储容量和高倍率性能而显示用作电极的潜力。不幸的是，这些积极作用被通常低的堆积密度(其导致差的体积存储容量)抵消。另ー方面，介孔电极材料已显示表现出高的堆积密度，但该积极方面被它们固有的低电导率抵消。亦即，用于电化学应用的介孔材料通常被合成为由纳米级晶粒构成并且具有遍布2-10nm范围的纳米孔隙的微米尺寸的颗粒。这导致锂离子容易从电解质到达电极表面，并便于Li+在晶粒内的输送。然而，介孔颗粒内的电子需要被输送几个微米到最近的导电碳添加剂或集流器。由此，在介孔材料中观察到与电子的长输送长度相伴随的Li-离子 的短输送长度，这对于高存储性能而言是限制因素。为了改善这个问题，可将导电性碳或RuO2 (允许Li+或e_两者迁移的金属氧化物)涂覆在介孔材料的内表面或外表面上，其可导致高倍率下的优异存储性能。例如，Guo等(Chem. Commun. ,2005,2454)报道了具有用RuO2涂覆的约130111 -1表面积的介孔TiO2，其在I和IOC倍率下表现出190和125mAh/g的存储容量。尽管前面的技术被广泛应用以达到高存储性能，但仍然需要在高C倍率下具有优异的存储容量而无复杂的导电材料表面涂层的电极材料，以得到较不复杂、更经济的锂离子电池。本专利技术提供这样的电极材料。在锂离子电池中，化学能可通过由均匀嵌入和脱嵌反应的再充电被可逆地存储，而无显著的结构改变。例如，用于膝上型电脑、移动电话等的锂离子电池包括LiCoO2作为阴极以及石墨作为阳极，采用了锂嵌入的摇椅概念(rocking chair concept)。在充电操作期间，来自LiCoO2的Li+离子通过非水电解质转移到石墨阳极，以形成LiC6，而电子通过外电路沿反方向流动。在放电操作期间(当向设施供电时)发生相反的情况。由此，在充放电循环期间Li+在两个电极之间的穿梭往返通过电极的分层型晶体结构而得以容易进行。电化学过程的高可逆性是由Li+在这些主晶格中的柔性嵌入/脱嵌所产生的。锂离子电池提供多种优点，如高开路电压( 4V)，优异的循环性能(多于3000次充-放电循环)以及高库伦效率(95% )，但它们一般表现出受限的锂存储容量。仅O. 5Li可从LiCoO2移走，导致LiQ.5Co02(137mAh/g，使用LiCoO2对Li金属的半电池)和I个Li+可以LiC6(370mAh/g,使用石墨对Li金属的半电池)的形式存储在石墨中。由于大多数当今的高性能可携帯微电子装置要求高能量密度，所以对于增加阴极和阳极材料两者中的Li储存容量存在极大兴趣。
技术实现思路
因此，本专利技术的ー个方面涉及介孔TiO2，包括基本上纯的锐钛矿晶格结构，其中所述晶格结构包括约10纳米(nm)至约50nm尺寸的晶粒,其中所述晶粒形成至少约O. 8微米(Pm)尺寸的颗粒；约5nm至约25nm尺寸的孔隙；至少O. 6g/cm3的振实密度；以及至少135m2/g的表面积。在本专利技术的一方面中，所述晶粒尺寸为约15至约20nm。在本专利技术的一方面中，所述颗粒尺寸为约1レ111至约2ロ111。在本专利技术的一方面中，所述孔隙尺寸为约5nm至约10nm。在本专利技术的一方面中，所述振实密度为约O. 6g/cm3至约O. 9g/cm3。在本专利技术的一方面中，所述表面积为约135至约180m2/g。本专利技术一方面为装置，选自由电极、阳极、电池、半导体、染料敏化太阳能电池(DSSC)和光催化剂，其包含本专利技术的介孔TiO2。本专利技术的一方面为阳扱，包含本专利技术的介孔TiO2。本专利技术的一方面为电化学电池，包括本专利技术的上述阳极。在本专利技术的一方面中，本专利技术的所述电化学电池还包括阴极。在本专利技术一方面中，所述阴极包括选自LiMnPO4和Li2MnSiO4的化合物。本专利技术一方面包括锂离子电池，其包括本专利技术的阳极，其中所述阳极包括本专利技术的介孔TiO2。本专利技术一方面包括锂离子电池，所述锂离子电池包括上述电化学电池。本专利技术的一方面为方法，包括将8碳至18碳的季铵盐表面活性剂溶解在约150mL的4 : l(v : V)水/无水こ醇中；逐滴添加化学计量量的钛醇盐；搅拌所述反应混合物约18至约24小时，期间形成沉淀物；收集所述沉淀物；用95%的こ醇洗涤所述沉淀物几次；在约75°C至约125°C加热所述沉淀物约O. 5至约2小时；并且在约250°C至约550°C煅烧所述沉淀物约4至约7小时。在本专利技术的一方面中，在上述方法中，所述8碳至18碳的季铵盐表面活性剂选自由辛基三甲基溴化铵(0TAB-8)、癸基三甲基溴化铵(DTAB-ClO)、十二烷基三甲基溴化铵(D0TAB-12)、十四烷基三甲基溴化铵(MYTAB-14)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB-C-16)和十八我玩及三甲基溴化铵(0DTAB-C18)。在本专利技术的一方面中，在以上方法中，所述钛醇盐选自正丙醇钛、异丙醇钛和丁醇钛。在本专利技术的一方面中，在以上方法中，加热在约100°C进行约I小时。在本专利技术的一方面中，在以上方法中，煅烧在约450°C进行约6小时。附图说明在本文中提供附图仅用于帮助理解本专利技术的目的；它们不以任何方式意图也不应被解读为以任何方式限制本专利技术的范围。图I 示出使用 C8 (C8-Ti02)、C12 (C12_Ti02)和 C16 (C16_Ti02)表面活性剂制备的介孔锐钛矿TiO2的粉末X射线衍射(PXRD)图谱。图2示出C16_Ti02的场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像。图3示出C16_Ti02的透射电子显微镜(TEM)、高分辨TEM(HRTEM)和扫描区域电子 衍射(SAED)图像(a-c)。图4示出Cie-TiO2的N2吸附/脱附等温线。图5示出与市售TiO2相比，本专利技术的介孔锐钛矿TiO2的多个实施方案在O. 2C倍率针对代表性循环(第I、第2、第5、第10、第20、第30次循环)的充-放电电压曲线。图6示出与市售纳米孔TiO2相比，本专利技术的介孔TiO2的多个实施方案在多种C倍率的循环性能(倍率能力)。图7示出不含碳和含碳的C16_Ti02电极的循环性能。观察到没有添加导电碳时优异的存储性能，提供本专利技术介孔TiO2的高电子电导率的清楚证据。图8示出本专利技术的介孔TiO2与市售纳米粉末TiO2在O. 2C倍率时电流-电压的比较，每种均使用I. O克。表的说明表I提供与本专利技术的介孔TiO2相比多种形式的TiO2的电化学性能的比较。具体实施例方式可以理解，关于本说明书和所附权利要求书，对本专利技术单数形式的任何方面的任何引用均包括复数形式，并且反之亦然，除非明确说明或从上下文中毫无疑义地、清楚地得知并非如此。本文中所用的任何近似术语，例如但不加限于接近、约、大致、基本上、实质上等是指由该近似术语修饰的该词或短语不需要为精确的，该词或短语为所表述的，但可以从所表述的描述有一定程度的变化。该描述可变化的程度将取决于可进行多大改变，并使本领域技术人员认识到更改的形式仍具有被更改的词或短语的性质、特性和能力。一般地，但考虑到前面的讨论，本文中的被近似词语修饰的数值可从所述值变化±10本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：帕拉尼·巴拉亚，阿南塔纳拉亚南·克里希纳穆尔蒂，萨拉瓦南·库潘，
申请(专利权)人：新加坡国立大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。