[發(fā)明專利]一種高比功率高比能量鈦氧化物儲能電池

有效

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• 申請日: 2009-03-06
• 公開（公告）號: CN101504989A
• 公開（公告）日: 2009-08-12
• 發(fā)明（設計）人: 唐子龍;徐睿;張中太;李長青
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01M10/36
• 分類號: H01M10/36;H01M10/40;H01M4/36;H01M4/48;H01M4/38;H01M4/58;H01M4/62;H01M4/04
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發(fā)明涉及一種高比功率高比能量鈦氧化物儲能電池，屬于儲能電池領域。

背景技術

納米TiO₂是具有廣泛應用前景的氧化物半導體材料，在光伏太陽能轉化，太陽能光解水 制氫和氧，光催化降解有機污染物、光致超親水性、鋰離子電池、電致變色和傳感器等眾多 領域具有廣泛的應用前景。

對TiO₂電化學嵌鋰性能的興趣主要起源于其在2V級鋰二次電池正極材料和電致變色器 件中的應用。TiO₂具有多種晶相結構，作為嵌鋰材料的研究主要集中在銳鈦礦和金紅石。通 常認為，銳鈦礦的電化學嵌鋰活性比較強。TiO₂的嵌鋰反應如式1.1所示。

TiO₂+x(Li⁺e)→LixTiO₂(1-1)

對于銳鈦礦TiO₂，嵌鋰的系數(shù)x通常不大于0.5。針對TiO₂的電化學嵌鋰性能在理論和實驗上都 做了很多工作。對于銳鈦礦TiO₂，XRD、電學和光學性能、X-射線光電子能譜、X-射線吸收 和散射和⁷Li核磁共振譜等研究都表明在鋰離子嵌入的時候將產生兩相界面，貧鋰的四方相 -Li_0.01TiO₂為銳鈦礦結構(空間群為I4₁/amd)和正交結構的鈦酸鋰-Li_0.5TiO₂(空間群為Imma)。

不論是單晶的還是多晶銳鈦礦TiO₂，其嵌鋰的容量、庫侖效率、可逆性和循環(huán)穩(wěn)定性都 與電極的表面形貌有很大的關系。

本發(fā)明中，采用在不同的溫度下對納米級無定形態(tài)偏鈦酸粉末(H₂TiO₃或TiO₂·H₂O) 進行熱處理得到的納米級無定形態(tài)偏鈦酸粉末與納米級銳鈦礦結構二氧化鈦粉末的混合物 (TiO₂·xH₂O)、水熱法制備的銳鈦礦結構二氧化鈦納米管(TiO₂)、鈦酸納米管(H₂Ti₃O₇) 作為儲能電池的電極活性物質。這些鈦氧化物材料的比容量大，且在大電流下仍能保持很好 的充放電性能的性質。以其作為儲能電池的正級材料，并以鋰片作為負極，可得到高比功率 高比能量鈦氧化物電池。該電池可以同時達到200Wh/kg的比能量和8000W/kg的比功率。此 類鈦氧化物在快速充放電下可同時保持極高比功率和比能量的特點，使其極為適合發(fā)展作為 鋰離子電池、超級電容器或混合電池的負極材料，并可望應用于電動汽車等方面。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于以采用在不同的溫度下對納米級無定形態(tài)偏鈦酸粉末(H₂TiO₃或 TiO₂·H₂O)進行熱處理得到的納米級無定形態(tài)偏鈦酸粉末與納米級銳鈦礦結構二氧化鈦粉 末的混合物(TiO₂·xH₂O)、水熱法制備的銳鈦礦結構二氧化鈦納米管(TiO₂)或鈦酸納米管 (H₂Ti₃O₇)等鈦氧化物作為儲能電池的電極活性物質。這些鈦氧化物材料的比容量大，且在 大電流下仍能保持很好的充放電性能的性質。以其作為鋰離子電池的正級材料，并以鋰片作 為負極，可得到高比功率高比能量鈦氧化物電池。該電池可以同時達到200Wh/kg的比能量 和8000W/kg的比功率。此類鈦氧化物在快速充放電下可同時保持極高比功率和比能量的特 點，使其極為適合發(fā)展作為鋰離子電池、超級電容器或混合電池的負極材料，并可望應用于 電動汽車等方面。

本發(fā)明通過如下技術方案實現(xiàn)：

納米級無定形態(tài)偏鈦酸粉末(H₂TiO₃或TiO₂·H₂O)的制備方法：以廉價的工業(yè)TiOSO₄溶液為原料，通過熱水解法制備納米級無定形態(tài)偏鈦酸粉末。