[發明專利]一種碳納米纖維/鈦酸鋰復合電極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110952579.1
• 申請日: 2021-08-19
• 公開（公告）號: CN113659127A
• 公開（公告）日: 2021-11-16
• 發明（設計）人: 夏新輝;張永起
• 申請（專利權）人: 電子科技大學長三角研究院（湖州）
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/15;C01G23/00;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 李林合

本發明公開了一種碳納米纖維/鈦酸鋰復合電極材料及其制備方法和應用，具體為(1)以銅片為正電極、鉑片為負電極，浸置于硫酸銅水溶液，用電沉積法制得銅納米顆粒；(2)以銅納米顆粒為催化劑，乙炔為碳源，用等離子體化學氣相沉積法制備碳螺旋納米纖維；(3)以碳螺旋納米纖維為載體，以四氯化鈦和去離子水為反應源，利用原子層沉積手段在納米纖維表面沉積一層均勻的二氧化鈦；(4)將所述產物放置于氫氧化鋰溶液中經水熱反應，再在氬氣氣氛中進行熱處理。本發明制備的碳螺旋納米纖維/鈦酸鋰復合材料是在碳螺旋納米纖維表面復合了鈦酸鋰納米片，形成核殼交聯多孔結構，具有高能量和高功率密度及長循環壽命，且制備方法簡單方便、易于控制。

技術領域

本發明屬于電池技術領域，具體涉及一種碳納米纖維/鈦酸鋰復合電極材料及其制備方法和應用。

背景技術

清潔綠色能源材料和電化學儲能技術是國家“十四五”規劃重點支持產業，其中新型高功率快充型鋰離子電池是重點發展領域。目前商業石墨負極儲鋰材料的快充性能不理想，離子遷移率偏低，且在高功率工作條件因易產生鋰枝晶及體積膨脹，導致電極性能衰減，嚴重阻礙了其在高功率快充型鋰離子電池中的工業化應用。

與此同時，鈦酸鋰作為一種零應變儲鋰負極材料，體積膨脹率僅為0.2％，具有極其優異的高功率長周期循環壽命。另外，鈦酸鋰具有1.55V的對鋰放電平臺，可以有效避免鋰枝晶以及固態電解質膜的形成，能有效提高安全性能，但其較低的電子導電率限制了其在超大工作電流條件下的應用。

研究表明高導電碳納米纖維載體的復合能有效提升鈦酸鋰電子電導率，改善鈦酸鋰材料的高倍率和長周期循環性能，并提高功率密度和能量密度。因此，設計合成兼具高容量和高功率密度的碳納米纖維/鈦酸鋰復合負極材料對高性能快充鋰離子電池的研制和開發具有重要意義。

發明內容

針對上述現有技術，本發明提供一種碳納米纖維/鈦酸鋰復合電極材料及其制備方法和應用，以解決單一鈦酸鋰材料的低電導率、功率偏低的技術問題。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：提供一種碳納米纖維/鈦酸鋰復合電極材料，包括碳納米纖維載體以及負載于所述碳納米纖維載體表面的鈦酸鋰納米片；所述碳納米纖維載體為碳螺旋納米纖維，所述鈦酸鋰納米片在載體上負載的厚度為100～300nm。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。

進一步，碳螺旋納米纖維的直徑為50～200nm。

進一步，鈦酸鋰納米片在載體上負載的厚度為200nm。

另一方面，本發明還提供了該碳納米纖維/鈦酸鋰復合電極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備銅納米顆粒；

(2)以步驟(1)所得銅納米顆粒為催化劑，乙炔為碳源，于真空以及強度為200～600瓦的等離子體環境中反應0.5～3h，接著通入保護氣體恢復到常壓，并在保護氣體下進行熱處理，得碳螺旋納米纖維；

(3)以步驟(2)所得碳螺旋納米纖維為載體，以四氯化鈦溶液為反應源，在碳螺旋納米纖維表面沉積一層二氧化鈦；接著將所得產物放置于氫氧化鋰溶液經水熱反應，再在氬氣氣氛中進行熱處理，即得。

在上述技術制備方法的基礎上，本發明中的制備方法還可以做如下進一步的改進。

進一步，銅納米顆粒經過以下步驟制得：

以銅片為工作電極，鉑片為對電極；將電極浸置于濃度為0.1～0.5mol/L、pH值為1～5的硫酸銅水溶液中，控制陰極工作電流密度為0.5～2A/g，電解反應30～90秒，得銅納米顆粒。

進一步，步驟(2)中乙炔流量為20～50sccm，真空度為10～30Pa，反應溫度為200～500℃。