[發明專利]一種納米多孔結構的氮化鈦酸鋰納米線/納米膜一體化材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201610040573.6
• 申請日: 2016-01-21
• 公開（公告）號: CN105655148B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 謝一兵;宋飛
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01G11/50
• 分類號: H01G11/50;H01G11/86;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 鄭立發

技術領域

本發明涉及一種具有納米多孔結構的氮化鈦酸鋰納米線/納米膜一體化材料及其制備方法和應用，屬于電化學新能源新材料技術領域。

背景技術

能源問題是現在世界上最關注的重大問題之一，一次能源如石油、天然氣、煤炭等是有限的資源，石油、煤炭等資源在燃燒過程中會產生大量二氧化碳、二氧化硫、粉塵等，這對環境也造成了很大的危害，而且這些資源的總量正在不斷地減少。隨著世界人口數量的增加以及經濟地不斷發展，對能源的需求量會不斷增加，開發清潔綠色、高儲能效率的新能源具有重要意義。超級電容器和鋰離子電池就是在這樣的背景下應運而生的，它們可以被廣泛應用與電子、通訊、交通等各個領域。

鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)具有穩定的電勢平臺，常常用作鋰離子電池的負極材料。與碳材料相比較，鈦酸鋰作為鋰離子電池負極材料具有更好安全性，在充放電過程中可以有效抑制金屬鋰的電沉積和電解質的分解。尖晶石狀鈦酸鋰的晶型結構穩定，在多次充放電中依然具有良好的可逆性和穩定性。鈦酸鋰的理論比電容為175mAh g^-1，被認為是最有前景的鋰離子電池負極材料。鈦酸鋰還常溫下鋰離子擴散系數為2×10^-8cm²s^-1，比碳負極材料大一個數量級，具有良好的鋰離子擴散系數。從而鈦酸鋰作為負極材料，使得鋰離子電池的充放電速率更快。但由于鈦酸鋰的電導率很低，在常溫下只有10^-13S cm^-1，這就限制了它的廣泛應用，如何擴大鈦酸鋰的電導率成了目前需要重點解決的問題。

由于過渡金屬的氮化物具有較高的電導率(～10^-6Ω^-1m^-1)，化學性質穩定等特點而作為電化學超級電容器和鋰離子電池的電極材料，常采用氣相沉積法、等離子噴涂和激光放射法等方法制備金屬氮化物。對于氮化鈦酸鋰，氮原子替換了鈦酸鋰中的部分氧原子，相應的N_2p軌道處于價帶邊緣，與O_2p軌道發生雜化改變了鈦酸鋰能帶結構，N摻雜有效降低鈦酸鋰的禁帶寬度，可以提高鈦酸鋰本身的導電性。

目前，現有技術中已有的氮摻雜鈦酸鋰材料和碳包覆鈦酸鋰材料，其導電性能具有一定程度的提高，但是效果仍然不夠理想，而且常規粉體或顆粒結構的鈦酸鋰電極材料存在振實密度較低的問題。

發明內容

發明目的：為了解決上述技術問題，本發明提供了一種氮化鈦酸鋰納米管/納米膜材料及其制備方法和應用。

技術方案：為了實現上述發明目的，本發明公開了一種納米多孔結構的氮化鈦酸鋰納米線/納米膜一體化材料，其特征在于：包括氮化鈦酸鋰納米線陣列和氮化鈦酸鋰納米膜基片；所述的氮化鈦酸鋰納米線陣列垂直生長在氮化鈦酸鋰納米膜基片上，氮化鈦酸鋰納米線與納米膜相互垂直連接形成一體化整體結構的電活性材料；所述的氮化鈦酸鋰納米線陣列具有有序排列的納米陣列結構，氮化鈦酸鋰納米膜基片具有均勻平鋪的平面薄膜結構；所述氮化鈦酸鋰納米線表面具有均勻分布的納米多孔結構。

作為優選，所述的氮化鈦酸鋰納米線陣列中，納米線長度為1.5～3.0μm，納米線直徑為120～150nm。

作為另一種優選，所述的納米多孔結構中，納米孔直徑為10～20nm。

作為另一種優選，所述氮化鈦酸鋰納米膜基片的厚度為10～30nm。

本發明還提供了所述的納米多孔結構的氮化鈦酸鋰納米線/納米膜一體化材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)水熱反應法制備鈦酸鈉納米線/納米膜材料：將金屬鈦片放入一定濃度的氫氧化鈉溶液中，在一定溫度下進行水熱反應，先形成鈦酸鋰納米膜，再形成鈦酸鋰納米線陣列，制得在鈦片上原位生長的鈦酸鈉納米線/納米膜材料。

(2)離子交換法制備非晶相鈦酸鋰納米線/納米膜材料：將鈦酸鈉納米線/納米膜材料放入一定濃度的鹽酸溶液中，在一定溫度下進行氫離子交換鈉離子反應，制得鈦酸納米線/納米膜材料；然后將鈦酸納米線/納米膜材料放入一定濃度的氫氧化鋰溶液中，在一定溫度下進行鋰離子交換氫離子反應，制得非晶相的鈦酸鋰納米線/納米膜材料。

(3)高溫結晶法制備晶體相的鈦酸鋰納米線/納米膜材料：將非晶相的鈦酸鋰納米線/納米膜材料置于高溫氣氛爐中，在氬氣氣氛中和一定溫度下進行高溫煅燒處理，制得晶體相的鈦酸鋰納米線/納米膜材料。