[發明專利]一種碳包覆正交晶系納米棒狀Nb2O5材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201610815737.8
• 申請日: 2016-09-09
• 公開（公告）號: CN106340400B
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 胡先羅;楊惠玲;黃云輝
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01G11/32
• 分類號: H01G11/32;H01G11/46;H01G11/86;H01M4/485;H01M4/62;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 梁鵬

技術領域

本發明屬于鋰離子電池領域，更具體地，涉及一種碳包覆正交晶系納米棒狀五氧化二鈮材料及其制備方法，其具有較高的容量、較好的倍率和循環性能。

背景技術

隨著混合電動汽車的發展以及其對高能量密度和高功率密度儲能器件的需求,鋰離子混合超級電容器是近年來逐漸被關注的一種新型儲能元件。由于同時使用了鋰離子電池和超級電容器的電極材料，鋰離子混合超級電容器擁有電池和電容的雙重特性,具有比常規電容器能量密度大,比鋰離子電池功率密度高的優點。但是由于負極材料的氧化還原反應要明顯慢于正極碳材料的物理吸脫附反應，這導致了鋰離子混合超級電容器的能量密度發揮受到限制。因此，開發具有高容量和倍率性能的負極材料極為迫切。

近期，科學家們發現正交晶系五氧化二鈮(Nb₂O₅)表現出嵌入脫出型贗電容，并且鋰離子的快速脫嵌不僅發生在納米晶體的表面同時也發生在體相中，其理論比容量達到了200mAh/g左右。然而，進一步的研究表明，正交晶系Nb₂O₅材料仍然存在以下缺陷和不足：Nb₂O₅材料本身的電導率很低(～3×10–6S/cm)，并且正交晶系Nb₂O₅在高溫條件下合成(>700℃) 其結構很難保持良好的納米結構。這些都嚴重阻礙了正交晶系Nb₂O₅在鋰離子混合超級電容器中的應用。相應地，本領域急需對正交晶系Nb₂O₅材料作出進一步的完善和改進，使Nb₂O₅充分發揮出其容量和倍率性能，制備出導電性良好的納米結構正交晶系Nb₂O₅，以滿足市場的迫切需求。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種可用于鋰離子混合超級電容器的碳包覆的正交晶系五氧化二鈮負極材料及其制備方法，其中通過對其制備方法的具體步驟、工藝參數及其產品結構等方面進行研究和設計，使其能夠生成碳包覆的正交晶系納米棒狀五氧化二鈮材料。由此解決目前常用的Nb₂O₅材料容量低、倍率性能較差的問題，還具有導電性能良好、制作方法簡單易行、成本低廉和和適合大規模生產等優點，十分適于用作鋰離子混合超級電容器的負極材料。

為了實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種碳包覆正交晶系納米棒狀Nb₂O₅材料的制備方法，其特征在于，該制備方法包括以下步驟：

步驟1：取一定量的油酸和三辛胺，將所述油酸和三辛胺按照體積比例 3:16混合均勻，制得混合物A；

步驟2：將一定量的鈮酸銨草酸鹽加入到上述混合物A中，攪拌后得溶液B；

步驟3：將步驟2中得到的溶液B進行微波水熱反應，其中溫度范圍設定為150℃～170℃，反應時間設定為30min～1h；

步驟4：將步驟3中反應后得到的產物進行離心分離，由此得到下層帶少量殘余溶劑的固液混合物C；

步驟5：將步驟4中所得到的固液混合物C放入管式爐中進行煅燒處理，保護氣氛采用Ar氣體，煅燒溫度為800℃，煅燒時間設定為1h～2h，由此制得所需的碳包覆的正交晶系納米棒狀Nb₂O₅材料。

作為進一步優選的，在步驟2中，所述鈮酸銨草酸鹽的摩爾質量為1.65 mM。

作為進一步優選的，在步驟3中，所述微波水熱反應在微波水熱反應釜中進行，所述微波水熱溫度設定為160℃，反應時間設定為30min。

作為進一步優選的，在步驟5中，所述煅燒時間設定為2h。

通過微波水熱的方法制得Nb₂O₅前驅體納米棒，并且在煅燒的過程中由于碳源的引入使得在800℃的高溫下仍然保持了納米棒的結構。而將各組份比例、微波水熱反應的溫度和時間、管式爐煅燒的處理溫度和時間等關鍵參數控制在一定范圍內，能夠保證制備的碳包覆正交晶系Nb₂O₅材料的純度，同時提高反應速度，從而最終提高由此鋰離子混合超級電容器的性能。

合成碳包覆正交晶系納米棒狀Nb₂O₅材料的反應機理為：