[發明專利]一種納米結構銳鈦礦二氧化鈦及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110347474.3
• 申請日: 2021-03-31
• 公開（公告）號: CN113097473B
• 公開（公告）日: 2023-03-17
• 發明（設計）人: 魏明燈;呂錦濤
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: H01M4/48
• 分類號: H01M4/48;H01M10/054;C01G23/047;C01G23/053;C01G23/08
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 彭琴;蔡學俊

本發明公開了一種納米結構銳鈦礦二氧化鈦及其制備方法和應用，成功的設計合成出了二氧化鈦中空微球并且微球表面有二氧化鈦納米片包覆而成。通過使用鈦酸異丙酯為鈦源，經過簡單的水熱反應之后合成分等級結構的二氧化鈦前驅體，之后在還原性氣體中煅燒，使得材料生成氧空位，提高了材料的導電性。同時材料特殊的分等級結構為嵌鈉/鋰提供更多的活性位點，并且縮短離子和電子的傳輸路徑。所制備的分等級結構二氧化鈦作為鈉離子電池的負極材料具有優異的循環穩定性和很高的比容量，在2 C的電流密度下，經過150圈的循環后充電比容量能夠達到242.6 mA h g^?1，在電流密度為20 C(1 C=168 mA h g^?1)時，經過5000圈的循環后，充比電容量依舊能夠達到159.7 mA h g^?1。

技術領域

本發明屬于鈉離子電池負極材料技術領域，具體涉及一種納米結構銳鈦礦二氧化鈦及其制備方法和應用。

背景技術

目前還未有利用鈦酸異丙酯制備特殊納米結構銳鈦礦二氧化鈦的相關專利報道。鋰離子電池因為具有較高的能量密度，被廣泛的應用于手機、新能源汽車、筆記本電腦等，使得人們的生產生活得到了許多的改變。但是隨著社會經濟的發展人們對于儲能電池的要求越來越高，這使得人們開始把目光轉向鈉離子電池的研究上，其中對于負極材料的研發是提高電池性能的一大突破口。二氧化鈦由于其生產成本低，結構穩定、無毒、安全性高且循環穩定性好而被認為是最具有商業前景的負極材料。但是，二氧化鈦的電子電導率差和離子擴散系數低使得限制了二氧化鈦的商業化大規模應用。所以為了解決這些問題，通常采用構建特殊納米結構材料；元素摻雜，比如碳、硼、氟、氮等；復合碳材料，比如石墨烯、介孔碳等。這些方法都被證明能夠有效的改善二氧化鈦的導電性和離子擴散系數，最終提高材料的電化學性能。

發明內容

本發明成功的設計合成出了二氧化鈦中空微球并且微球表面有二氧化鈦納米片包覆而成。通過使用鈦酸異丙酯為鈦源，經過簡單的水熱反應之后合成分等級結構的二氧化鈦前驅體，之后在還原性氣體中煅燒，使得材料生成氧空位，提高了材料的導電性。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種納米結構銳鈦礦二氧化鈦的制備方法，包括以下步驟：

（1）將0.2克P123與含有5毫升乙醇、3毫升去離子水、30毫升乙二醇的混合溶液充分攪拌30min，之后加入1毫升鈦酸異丙酯攪拌15min，最后加入1毫升硫酸并且攪拌10min之后，將混合溶液轉移至50毫升的聚四氟乙烯內襯，在150℃的條件下反應8h。將自然冷卻至室溫后所得的白色沉淀物質用去離子水洗滌離心三遍之后進行冷凍干燥12小時，最終得到二氧化鈦前驅體。

（2）將二氧化鈦前驅體在還原性氣氛下以2℃/min的升溫速率下，在155℃煅燒2h，之后升溫到550℃煅燒3h即可得到最終產物——納米結構銳鈦礦二氧化鈦。

進一步地，還原性氣氛（5%氫氣與95%氬氣的混合性氣體）能夠有效的生成氧空位，增加材料的導電性。

上述納米結構銳鈦礦二氧化鈦在鈉離子電池上的應用：按質量比將納米結構銳鈦礦二氧化鈦：乙炔黑：PVDF＝70：20：10混合研磨后均勻地涂在銅箔上做負極，參比電極和對電極均為金屬鈉，電解質為1.0 M NaPF₆的100%DME溶液。所有組裝均在手套箱里進行。