[發明專利]一種碳包覆改性高倍率鈦鈮氧化物材料的制備方法

在審

• 申請號: 201811176850.1
• 申請日: 2018-10-10
• 公開（公告）號: CN109473641A
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發明（設計）人: 陳壘;李光;張曉峰;楊智雄;陳小梅;尚伶俐;郭恒
• 申請（專利權）人: 河南工程學院
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/485;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張紹琳;王紅培

本發明提供了一種碳包覆改性高倍率鈦鈮氧化物材料的制備方法，鈦源、鈮源與碳源加入到去離子水中，高能研磨后干燥燒結制備高倍率鈦鈮氧化物材料。本發明與現有技術相比，比起鈦酸鋰類材料和石墨材料，在結構上具備類似的嵌脫鋰電位的鈦鈮氧化物，更有希望成為未來熱門的負極材料。其在酸性條件下具有獨特的化學穩定性，放電電位在1?2 V之間，并且比容量/電容均高于鈦酸鋰和石墨材料，在倍率性能以及循環性能上也有不俗的表現，因而一度被認為是極有潛力的負極材料。通過納米化機械研磨和碳包覆改性鈦鈮氧化物材料，可以有效提高材料的電子傳導速率和鋰離子傳輸能力，從而改善鋰離子電池的循環及倍率性能，提高鋰離子電池的首次庫侖效率。

技術領域

本發明涉及材料合成技術領域，具體涉及一種碳包覆改性高倍率鈦鈮氧化物材料的制備方法。

背景技術

目前，鋰離子電池已廣泛應用于儲能系統和電動汽車，其中，商業化應用的鋰離子電池的負極材料主要包括碳材料和鈦酸鋰材料（Li₄Ti₅O₁₂）。碳材料作為鋰電池負極，在大功率下的電化學動力學性能相對較差，同時容易形成鋰枝晶，造成嚴重的安全問題。為了克服這些缺陷，鈦酸鋰材料作為負極材料的一種可選產品，被廣泛研究。由于鈦酸鋰材料具有相對較高的工作電位在1.5 V左右，從而可以避免固體電解質鈍化膜（SEI膜）和鋰枝晶的形成，同時，鈦酸鋰材料具有穩定的尖晶石結構，從而表現出良好的循環穩定性。然而，鈦酸鋰材料的理論容量較低（175 mAh g ^-1），不能滿足高能量密度鋰離子電池的要求。

為解決這一問題，鈦鈮氧化物（Ti-Nb-O、TiNb₂O₇、Ti₂Nb₁₀O₂₉、TiNb₂₄O₆₄等）具有與Li₄Ti₅O₁₂類似的工作潛力，但是其理論容量顯著增加。其中鈦鈮氧化物TiNb₂O₇的理論容量為每單位5個電子轉移（Ti³⁺/Ti⁴⁺，Nb³⁺/Nb^{4 +}和Nb⁴⁺/Nb⁵⁺）的387.6 mAh/g，比Li₄Ti₅O₁₂大121％，甚至超過石墨的372 mAh/g。TiNb₂O₇的結構可描述為：無序排布的Nb原子和Ti原子分別占據NbO₆八面體和TiO₆八面體的中心，同時NbO₆八面體和TiO₆八面體共享棱和頂點，形成可以容納鋰離子脫嵌的開放隧道型間隙空間。雖然鈦鈮氧化物的晶體結構非常有利于Li^＋的嵌入和脫出，然而電子導電率和離子導電率低的問題仍然嚴重限制了其電化學性能的提高，所以改善鈦鈮氧化物電極材料的動力學性質依然是一個嚴峻的挑戰。通常的一種途徑是采用碳包覆或者元素摻雜改善鈦鈮氧化物材料的電子導電率，另一種途徑是進行微納化處理或者引入孔結構來縮短Li^＋的傳輸路徑，進而改善材料的脫嵌鋰動力學。

發明內容

本發明提出了一種碳包覆改性高倍率鈦鈮氧化物材料的制備方法，采用高能機械研磨和碳包覆改性處理，從而減小鈦鈮氧化物材料的一次顆粒粒度，縮短鋰離子嵌入深度，有效降低鋰離子在反應過程中的傳輸路徑，同時增大鈦鈮氧化物材料的表面孔隙，進而使更多的電解液與材料接觸，比表面積增大，能緩解反應過程中的體積效應，從而提高材料的電化學性能。

實現本發明的技術方案是：一種碳包覆改性高倍率鈦鈮氧化物材料的制備方法，步驟如下：

（1）將鈦源、鈮源與碳源，依次加入到去離子水中，攪拌均勻得到混合液；