[發明專利]一種由(001)面組裝的三維空心二氧化鈦及其制備方法和用途

在審

• 申請號: 201510447670.2
• 申請日: 2015-07-28
• 公開（公告）號: CN105133013A
• 公開（公告）日: 2015-12-09
• 發明（設計）人: 王小亮;孫宏宇;王慶國;白麗云;王平平;曲兆明
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍軍械工程學院
• 主分類號: C30B29/16
• 分類號: C30B29/16;C30B7/10;C30B29/66;H01M4/48;B82Y30/00
• 代理公司: 石家莊新世紀專利商標事務所有限公司 13100
• 代理人: 徐瑞豐;董金國

技術領域

本發明涉及一種二氧化鈦及其制備方法，特別涉及一種由(001)面組裝的三維空心二氧化鈦及其制備方法和用途，可用于鋰電池正極材料制造領域。

背景技術

隨著社會的高速發展，人類對能源需求的日益增長，對自然環境造成了嚴重污染和破壞。目前，一次能源(煤、石油和天然氣等化石能源)在能源結構中居于主導地位，然而這種化石能源屬于不可再生資源，面臨著即將枯竭的危險。同時，化石能源在開采、運輸和使用過程中還會產生嚴重的環境污染問題。因而開發新型可再生清潔能源(太陽能、風能、地熱能和生物能等)勢在必行。其中，能源存儲是可再生能源的關鍵因素。因而開發新型能源存儲材料和器件至關重要。

鋰電池作為新型綠色儲能器件，具有高能量密度、高功率密度、安全性能好和循環壽命長的特點。因而在便攜式電子設備以及電動汽車領域具有廣泛的應用。鋰電池電極材料的選擇決定電池理論能量和功率密度水平的高低。對于空心微納米結構電極材料，由于其具有較大的比表面積、活性部位多、密度低、鋰離子嵌入/脫出行程較短以及充放電過程中體積膨脹有限等優點，可以提高能量密度、增加充放電效率以及延長循環壽命。

銳鈦礦結構二氧化鈦(TiO₂)結構穩定而且無毒，用作電極材料時有極高的循環穩定性和安全性；同時較低的嵌鋰電位有利于鋰離子在材料內部的嵌/脫反應，因而適合用作鋰電池正極材料。相對石墨電極材料(理論容量為372mAh^-1)，TiO₂儲鋰容量雖然較低(~170mAh^-1)，但其具有結構穩定性好、充放電體積膨脹小等特點，另外由于不需要摻鋰，因而二氧化鈦(化學式為TiO₂)具有高功率密度充放電的能力及循環壽命長的獨特優勢，這些特性正是其他正極材料很難具有的。人們TiO₂的尺寸、形貌及組裝等結構參數的調控進行了廣泛深入的研究，以此優化的鋰電存儲性能。研究發現，銳鈦礦TiO₂(001)面具有更為開放的結構，由此縮短了鋰離子的擴散路徑，因此鋰離子更容易嵌入(001)晶面。研究合成暴露(001)面的TiO₂有利于提高鋰電存儲性能。理論研究表明銳鈦礦TiO₂，(001)高能晶面(γ=0.90J/m²)的活性要大大高于(101)晶面(γ=0.44J/m²)及(100)晶面(γ=0.53J/m²)。自然界中由于(101)晶面的表面能較低，晶體生長過程中(001)高能晶面會逐漸消失，因此銳鈦礦TiO₂的暴露面通常為熱力學穩定面的低活性(101)晶面(根據Wulff構建關系，通常高于94%)。合成具有暴露(001)高能晶面的TiO₂微納結構仍然面臨很大的挑戰。2008年，文獻[Nature,2008,v453,p638]報道了水熱法合成了(001)面暴露率為47%的單晶銳鈦礦TiO₂。隨后，很多文獻報道了暴露(001)的TiO₂結構在光催化及鋰電池領域的應用。然而上述報道所述的TiO₂大多為二維片狀或由片狀團聚而成的微球狀，這種片狀結構本身具有一定的缺點，比如片與片容易部分重疊，從而整體降低了(001)高能晶面的有效暴露率從而不能發揮高能晶面的優勢。防止二維片狀二氧化鈦的重疊和團聚是目前這一研究領域需要解決的關鍵問題，而制備自組裝三維空心結構是解決這一問題的有效途徑。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供了一種制備由(001)面組裝的三維空心二氧化鈦及其制備方法，由(001)面組裝的三維空心二氧化鈦整體提高了(001)高能晶面的有效暴露率從而很好的發揮了高能晶面的優勢，可緩解鋰電池充放電時體積膨脹和提高充放電效率，適合用來制作鋰電池的正極極片并進一步用其制作鋰電池。

本發明采用如下技術方案：

一種由(001)面組裝的三維空心二氧化鈦，其具有（001）高能晶面的空心多面體，其表面被片狀晶粒包圍。

進一步的，所述由(001)面組裝的三維空心二氧化鈦的結構內部存在介孔。

進一步的，所述片狀晶粒的厚度為50~150nm，所述片狀晶粒的邊長為400~800nm，所述空心多面體的壁厚為200~300nm。