[發明專利]一種鈮酸鈦硅基復合材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202211704142.7
• 申請日: 2022-12-29
• 公開（公告）號: CN116014101A
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 劉憶恩
• 申請（專利權）人: 山西沃特海默新材料科技股份有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 周雷

本發明涉及鋰離子電池材料領域，具體涉及一種鈮酸鈦硅基復合材料及其制備方法和應用。本發明提供的一種鈮酸鈦硅基復合材料的制備方法，包括：1)將鈦源、鈮源、有機鈰化合物等混合后，通過靜電紡絲得到含鈮鈦鈰的碳纖維材料；2)將羧酸化納米硅、硅烷偶聯劑和有機溶劑、含鈮鈦鈰的碳纖維材料和堿液后反應，得到鈮鈦鈰硅基的碳纖維材料；3)得到的鈮鈦鈰硅基的碳纖維材料分別在改性氣體氛圍和碳源氣體氛圍下進行加熱，得到所述鈮酸鈦硅基復合材料。通過本發明方法獲得的鈮酸鈦硅基復合材料可有效降低材料的膨脹性，提升材料的離子電導率以及電池的比容量和首次效率，同時本發明獲得的材料還具有優異的保液率、吸液速率以及循環性能。

技術領域

本發明涉及鋰離子電池材料領域，具體涉及一種鈮酸鈦硅基復合材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池的負極材料是作為儲鋰的主體，在鋰離子電池充放電過程中，鋰離子反復地在負極材料中嵌入和脫出，發生電化學氧化/還原反應。目前，商用的鋰離子電池的負極使用材料以碳基材料為主，但碳基負極理論容量有限，在面對更大電池能量密度要求的未來市場，碳基材料無法滿足。

硅基材料因其巨大的穩定理論容量，成為鋰離子電池負極材料的研究熱點。硅基材料雖然具有極高的能量密度成為鋰離子電池負極材料的首選材料，然而硅基材料存在充放電過程中膨脹大、電子導電率差等缺陷限制其在動力電池領域的廣泛應用。降低硅基材料膨脹的措施主要有納米化、造孔、改變形貌等措施，并進行元素摻雜、包覆降低材料的電子導電率及其提升離子擴散系數。

現有技術中，通常是在硅基的外層包覆一層無定型碳，以提高材料整體的電子和離子電導率，然而對于硅基材料其膨脹性仍然較大，對材料電子電導率和電池的比容量和首次效率提升幅度有限。

發明內容

因此，本發明要解決的技術問題在于克服現有硅基復合材料其膨脹性較大，對材料電子電導率和電池的比容量和首次效率提升幅度有限的缺陷，從而提供一種鈮酸鈦硅基復合材料及其制備方法和應用。

本發明提供一種鈮酸鈦硅基復合材料的制備方法，包括如下步驟：

1)將鈦源、鈮源、有機鈰化合物、有機聚合物和有機溶劑混合后，得到的混合溶液通過靜電紡絲得到含鈮鈦鈰的碳纖維材料；

2)將羧酸化納米硅、硅烷偶聯劑和有機溶劑混合，然后加入步驟1)得到的含鈮鈦鈰的碳纖維材料和堿液后進行反應，得到鈮鈦鈰硅基的碳纖維材料；

3)將步驟2)得到的鈮鈦鈰硅基的碳纖維材料在改性氣體氛圍下進行第一加熱，然后在碳源氣體氛圍下進行第二加熱，得到所述鈮酸鈦硅基復合材料；

所述改性氣體選自氟氣、氯氣、氨氣和二氧化硫中的至少一種。

優選的，步驟1)中鈦源和鈮源的總質量與有機鈰化合物、有機聚合物、有機溶劑的質量比為100：(1-10)：(50-200)：(400-2000)；

所述鈦源選自Ti(OC₄H₉)₄和TiO₂中的至少一種，所述鈮源選自NbCl₅和Nb₂O₅中的至少一種；其中鈦源與鈮源的摩爾比為1：(0.5-2)；

所述有機聚合物包括聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一種；所述有機聚合物的分子量為10～150萬；

所述有機鈰化合物選自乙酸鈰、丙酸鈰和水合乙酰丙酮鈰中的至少一種。

優選的，步驟1)中靜電紡絲時，電壓為5-50kV，滾輪接收速度為0-100r/min，推進推行速度為0.1-10mL/h；電紡針頭到接收器的距離為5-30cm，靜電紡絲時間為30-300min。

優選的，步驟1)所述含鈮鈦鈰的碳纖維材料的直徑為1-10μm。