[發明專利]一種二氧化鈦材料及其制備方法和應用

無效

• 申請號: 200910189698.5
• 申請日: 2009-08-31
• 公開（公告）號: CN102001702A
• 公開（公告）日: 2011-04-06
• 發明（設計）人: 王強
• 申請（專利權）人: 比亞迪股份有限公司
• 主分類號: C01G23/047
• 分類號: C01G23/047;C01G23/053;H01G9/042;H01M4/48
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

【技術領域】

本發明涉及一種二氧化鈦材料及其制備方法和應用。

【背景技術】

二氧化鈦(TiO₂)是一種重要的半導體材料，其在電池、光催化、光解水、有機物光降解和光電變色窗等領域有著廣泛的應用。例如在電池領域，由于其相對于金屬鋰的電位為1.56V，與4V正極材料LiCoO₂，LiNiO₂，LiMn₂O₄等配對可以制備2.5V的電池，且比金屬鋰和碳基材料的電位高很多，在其表面不易形成鈍化膜，因此在快速充放電過程中可避免了導致安全隱患的金屬鋰的電沉積；同時酯類在1.56V電位較穩定，避免鋰離子電池電解液中酯類溶劑在低電位下的發生還原性副反應產生氣體，很大程度上提高了電池的安全性能。

特別是現在廣泛研究的結構特殊、性能優良的納米二氧化鈦也越來越得到業界青睞，但納米二氧化鈦的應用，還需要克服一些困難。例如在電池中，納米管、納米線、納米棒、納米粒子等多種納米結構的TiO₂的材料尺寸很小，可以提高含有此種材料的電池的循環性能，但這種對電極循環穩定性的改進依舊不理想，因為材料尺寸小的同時，其表面積相應增加，易造成了在電池首次充放電循環中消耗更多的鋰用于表面成膜反應；同時納米材料有高表面能，納米微粒易發生團聚，使電極內部微粒間電接觸程度迅速減弱，電極容量和循環性能會惡化；此外，現有鋰離子電池中所用隔膜的孔徑約為1μm，納米尺度的電極材料顆?？赡軙┻^電池隔膜聚集在相對的電極上，降低電極的性能，甚至會導致電池自放電和嚴重的安全問題。還有，納米粒子與乙炔黑等導電劑的尺寸不在同一個數量級上，制作電極時不易混合均勻，活性物質間的電接觸性差。這些因素都在不同程度上阻礙著納米材料在鋰離子電池中的應用。

【發明內容】

本發明克服了現有納米二氧化鈦材料的比表面大、容易團聚及粒子粒徑偏小，實際使用很難達到理想效果的缺點，提供了一種能得到良好實際應用，結構完美、結晶度高的性能優良的二氧化鈦材料，特別是能提高電池的循環性能、高倍率放電性能和安全性能的二氧化鈦材料，包括結構為自組裝微球的二氧化鈦，自組裝微球是以納米粒子為構筑單元組裝而成，自組裝微球的直徑為500nm～1μm。

二氧化鈦的結構是以納米粒子為構筑單元相互連接而成的自組裝微球，其仍具有納米粒子的獨特性能，因此推測其可能的連接為非共價鍵連接，例如氫鍵和范德華鍵等非共價鍵很弱，可通過協同作用構筑穩定的納米結構體系。自組裝微球具有所需組分和結構形態功能化的二維及三維網絡結構，能充分發揮結構單元優異的性能和單元間的協同作用，且本發明的自組裝微球粒徑均一，結晶度高，提高了材料的性能，能得到更廣泛的應用。

例如在電池應用中，這種自組裝微球由于是以納米粒子為構筑單元相互連接而成，電解液較容易滲透到自組裝微球的每一個部分，特別是在高充電/放電速率時，這種自組裝微球可以讓更多鋰離子進入自組裝微球材料內的表面嵌鋰位置，有效避免了由于大量鋰離子聚集而導致的局部結構破壞，提高了電池的倍率性能和循環性能；同時，自組裝微球內的納米粒子構筑單元可以縮短鋰離子擴散的距離，使鋰離子擴散更加容易，從而更大程度發揮粒子的納米效應，提高電池的倍率性能；此外，相互連接的納米粒子構筑單元采取了“松散”的堆積方式，活性顆粒不會由于鋰嵌入造成單個納米粒子劇烈的體積膨脹，而造成整體電極的絕對體積效應和嚴重的機械應力，可以保持材料的結構完整性，同時阻止活性微粒的聚集或增長，增強微結構的穩定性，提高了電池的循環性能；此外材料的尺寸增大，其表面積相應減小，減少了電池在首次充放電循環中鋰的消耗，也不會穿透隔膜，提高了電池的安全性能，且顆粒大小與其他電極材料相當，易于混合、制備性能優良的電極材料；而且自組裝微球也不易發生團聚，提高了電池的性能能夠在鋰離子電池中的得到很好的應用。

本發明的另一個目的是提供上述二氧化鈦材料的制備方法，包括將鈦源與H₂O₂或NH₄F在酸性條件下混合，經水熱反應后焙燒制得，其中，鈦源為K₂TiO(C₂O₄)₂、Ti-(OC₃H₇)₄、TiCl₄、Ti(SO₄)2或TiOSO₄的水溶液。