[發明專利]一種鋰插層二氧化錳?氮化鈦納米管復合材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201410148411.5
• 申請日: 2014-04-10
• 公開（公告）號: CN103985563B
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 謝一兵
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01G11/50
• 分類號: H01G11/50;H01G11/86;H01G11/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 沈振濤

技術領域

本發明屬于電化學儲能材料領域，特別涉及一種鋰插層二氧化錳-氮化鈦納米管復合材料，還涉及該電極材料的制備方法，還涉及該電極材料在鋰離子超級電容器中的應用。

背景技術

能源是人類生存和社會良好發展的重要基礎，隨著人口的急劇增長和經濟的迅猛發展，石化類能源的日益枯竭，能源危機已成為當今世界各國面臨的難題，如何進行新能源的開發、存儲和合理利用直接關系到人類社會的可持續發展。因此，發展新能源是21世紀必須解決的重大課題。隨著科學技術的進步，電動汽車、航空航天、移動通訊、國防科技、新能源發電(風能、太陽能等)和新型電磁武器的發展，人們對高性能電能存儲設備需求越來越迫切。

目前，任何一種儲能技術均有自身的優點和缺點。例如，鉛酸電池生產成本最低，但其使用壽命低、能量密度低，且帶來壞境污染；鎳氫電池具有良好的功率特性，但與鋰離子電池相比，同樣具有能量低和使用壽命短的不足；鋰離子電池能量密度高，其能量密度范圍為120～200Wh/kg，但正負極全靠嵌脫鋰儲能，電極材料在反復的充放電過程中遭受極大的體積變化與不可逆相變，導致使用壽命大大降低，并且受鋰離子遷移速率的限制，進一步限制了其在短時間內需要實現快速充放電的高功率設備上的應用。而基于“電雙層”原理雙電層電容器具有最高的功率密度，其功率密度在2～5kW/kg之間或更高，兼具有數十萬次循環使用壽命的優點，但其工作電壓窗口低，能量密度也僅為2～5Wh/kg，大大限制了其可應用性。因此，尋求同時具有高比容量和高比功率、循環壽命長等優異性能且廉價、清潔的新能源裝置，是世界范圍內能源領域的科學家們最關心的課題之一。

鋰離子電容器一般是采用鋰離子電池負極材料、超級電容器正極材料以及鋰離子電解質構建的新一代高性能儲能器件，它基于雙電層（或者法拉第）電容和鋰離子電池的作用原理進行協同儲電，具有功率和能量密度高、倍率特性好、循環效率高、使用壽命長、單位功率成本低等優點，日益受到廣泛關注，逐步用于電動車輛等領域。然而，現有的鋰離子電容器一般是正極采用活性炭材料、負極采用嵌鋰的碳材料或者嵌鋰的多金屬氧酸鹽材料、電解液采用鋰離子有機物的電容器，該電極材料的電導性能和儲電性能還有待進一步提高。

發明內容

發明目的：為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種鋰插層二氧化錳-氮化鈦納米管復合材料。

技術方案：本發明提供的一種鋰插層二氧化錳-氮化鈦納米管復合材料，所述復合材料包括氮化鈦納米管、沉積在氮化鈦納米管內部和氮化鈦納米管間隙中的鋰插層二氧化錳，氮化鈦納米管、沉積在氮化鈦納米管內部和氮化鈦納米管間隙中的鋰插層二氧化錳形成同軸異質納米管陣列結構。

作為優選，氮化鈦納米管壁厚為10～20nm、直徑為80～150nm、高度為900～1100nm，相鄰氮化鈦納米管的間隙為30～60nm。

本發明還提供了上述鋰插層二氧化錳-氮化鈦納米管復合材料的制備方法，包括以下步驟：

（1）氮化鈦納米管電極基體材料制備：以氟化銨、磷酸和乙二醇混合水溶液為反應電解質，以鈦片為工作電極，鉑片為對電極，采用陽極氧化法以25-35V的工作電壓反應2-4h制得二氧化鈦納米管陣列；二氧化鈦納米管陣列先在空氣中以400-500℃煅燒1-3h，再在氨氣氣氛中以750-850℃煅燒1-3h得氮化鈦納米管電極基體材料；

（2）采用醋酸錳和硫酸鋰的混合水溶液為反應電解質溶液，以氮化鈦納米管電極基體材料作為電極基體材料并作為工作電極，以鉑片為輔助電極，以飽和甘汞電極為參比電極，在三電極電化學反應體系中采用電化學插層-沉積反應合成方法制備鋰插層二氧化錳-氮化鈦納米管復合材料。

步驟（1）中，混合水溶液中，氟化銨的濃度為0.1-0.3mol/L，磷酸濃度為0.4-0.6mol/L，乙二醇濃度為8-10mol/L。

步驟（2）中，醋酸錳和硫酸鋰的混合水溶液中，醋酸錳的濃度為0.01-0.03mol/L，硫酸鋰的濃度為0.8-1.2mol/L。

本發明還提供了上述鋰插層二氧化錳-氮化鈦納米管復合材料在鋰離子超級電容器制備中的應用，所述鋰離子超級電容器正負電極材料均為鋰插層二氧化錳-氮化鈦納米管復合材料，電解質為液態相鋰離子電解質或固態相鋰離子電解質。