[發明專利]一種鈮酸鈦/碳復合電極材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201610107404.X
• 申請日: 2016-02-26
• 公開（公告）號: CN105552346A
• 公開（公告）日: 2016-05-04
• 發明（設計）人: 劉光印;張瑞雪;郭佳莉;趙強;柳文敏;楊浩;包曉玉;鮑克燕;季曉廣
• 申請（專利權）人: 南陽師范學院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京國昊天誠知識產權代理有限公司 11315
• 代理人: 劉戈

技術領域

本申請屬于鋰離子電池材料領域，具體地說，涉及一種鈮酸鈦/碳復合電極材料及其制備方法。

背景技術

鋰離子電池廣泛應用于手機、數碼相機等電子產品中，目前正在向電動工具、電動車、電網儲能等領域延伸發展，這就要求鋰離子電池具有高的能量密度、功率密度和安全性。當前商業化的鋰離子電池負極材料主要以石墨類碳材料為主，雖然其具有較好的循環性能和低廉的價格，但是由于其嵌鋰電位低，在大電流充放電或過充時易引發安全性問題。此外，碳材料的倍率性能較差，不能進行快速充放電。因此，急需開發新型的高性能負極材料。

近年來，鈮基化合物(例如：Nb₂O₅，LiNb₃O₈，TiNb₂O₇等)由于具有高的氧化還原電位(1.0-2.0V)，可以有效的抑制有機電解液的分解，具有較高的安全性。此外，鈮基化合物的可逆放電比容量一般在300mAh/g左右，與商業化的碳材料相當。所以，鈮基化合物開始受到人們的廣泛關注。最近，Lin等人首次報道了鈮酸鈦(TiNb₆O₁₇)作為新型的鋰離子電池負極材料表現出優良的電化學性能，在0.1C倍率下的首次放電比容量為383mAh/g，在5C倍率下經過100次循環后保持在178mAh/g.(ChunfuLin，GuizhenWang,ShuiweiLin,JianbaoJi,LiLu.TiNb₆O₁₇:anewelectrodematerialforlithium-ionbatteries.Chem.Commun.2015,51:8970-8973.)。雖然Lin等人制備的鈮酸鈦材料在低倍率下的性能較好，但是其在大倍率下的性能還有待進一步提高。TiNb₆O₁₇與其它鈮基化合物類似，其電子和離子電導率較低，這也是導致其倍率性能不理想的主要原因。

發明內容

有鑒于此，本申請針對TiNb₆O₁₇材料因其電導率低導致的倍率性能低的問題，提供了一種鈮酸鈦/碳復合電極材料及其制備方法，該制備方法工藝簡單、操作方便，易于規模化生產，并且產品的倍率性能優異。

為了解決上述技術問題，本申請公開了一種鈮酸鈦/碳復合電極材料的制備方法，包括以下步驟：

a、稱取二氧化鈦、氧化鈮和碳源，將這三種物質置于球磨罐中，以乙醇為分散介質，在球磨機上球磨，使原料充分混合；

b、將步驟a所得混合物干燥，得到前驅體；

c、將步驟b所得前驅體在惰性氣體保護下煅燒，自然降溫至常溫后即得鈮酸鈦/碳復合電極材料。

進一步地，步驟a中二氧化鈦和氧化鈮中的Ti和Nb的原子比為1：5.5-1：6.5；所述碳源的質量為二氧化鈦和氧化鈮總質量的0.5％-50％。

進一步地，步驟a中的二氧化鈦為金紅石型二氧化鈦、銳鈦礦型二氧化鈦、P25型二氧化鈦中的一種或幾種；步驟a中的氧化鈮為二氧化鈮、五氧化二鈮、三氧化二鈮中的一種或幾種。

進一步地，步驟a中的碳源為檸檬酸、葡萄糖、蔗糖、炭黑、乙炔黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯中的一種或幾種。

進一步地，步驟a中的球磨轉速為200-850轉/分鐘，所述球磨時間為0.5-30小時。

進一步地，步驟b中的干燥溫度為60-110℃。

進一步地，步驟c中的惰性氣氛為氮氣、氬氣中的一種或其混合氣體。

進一步地，步驟c中煅燒溫度為700-1400℃；煅燒時間為1-56小時。

進一步地，步驟c中的煅燒時間為6-40小時。

本申請還公開了一種由上述制備方法制備得到的鈮酸鈦/碳復合電極材料，該鈮酸鈦/碳復合電極材料中的碳含量為0.5-20wt％。

與現有技術相比，本申請可以獲得包括以下技術效果：

1)本發明利用一步高溫固相法原位合成了鈮酸鈦/碳復合電極材料，提高了材料的電導率，同時碳層的包覆對鈮酸鈦的顆粒增大現象具有一定的抑制作用。

2)本發明制備工藝簡單、操作方便、價格低廉，易于規模化工業生產。

3)本發明制備的鈮酸鈦/碳復合電極材料具有優異的倍率循環性能，在5和10C倍率下經過50次循環后的放電比容量保持在225.5和214.3mAh/g，幾乎沒有衰減。