本發(fā)明屬于鋰離子電池材料技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，涉及一種用于鋰離子電池負(fù)極材料的海膽狀五氧化二鈮及其制備方法。

背景技術(shù)：

鋰離子電池具有高的能量密度、優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性及環(huán)境友好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種便攜式電子產(chǎn)品中。目前商品化的鋰離子電池大多利用石墨類(lèi)碳材料作為負(fù)極，存在著安全性低、充電速度慢等問(wèn)題，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)鋰離子電池性能的需求。五氧化二鈮屬于ReO₃結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子的擴(kuò)散，可以快速充放電；且其嵌脫鋰電位高(1-2.0V)，有效避免了鋰枝晶的生成，具有高的安全性。因而，五氧化二鈮被認(rèn)為是一種很具發(fā)展前景的高性能鋰離子電池負(fù)極材料。但是由于其電子電導(dǎo)率較低，嚴(yán)重限制了材料的電化學(xué)性能。

研究者們通過(guò)各種途徑來(lái)改善五氧化二鈮的電化學(xué)性能，比如摻雜元素、包覆導(dǎo)電相物質(zhì)、減小顆粒尺寸等。減小材料顆粒尺寸特別是合成納米級(jí)材料可以縮短電子和鋰離子的傳輸距離進(jìn)而彌補(bǔ)電導(dǎo)率低的缺點(diǎn)。目前人們已經(jīng)合成出納米粒子、納米線、納米片、納米棒等結(jié)構(gòu)的五氧化二鈮材料，用于鋰離子電池負(fù)極都表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能。近年來(lái)人們研究發(fā)現(xiàn)，一些具有特殊形貌結(jié)構(gòu)的電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，這主要?dú)w功于其具有高的比表面積以及一些特有的物理化學(xué)性能(比如協(xié)同效應(yīng)和耦合效應(yīng)等)。Lu等人(H.Lu,K.Xiang,et al.Urchin-shaped Nb₂O₅ microspheres synthesized by the facile hydrothermal method and their lithium ion storage performance.Materials Letters 167(2016)106-108)利用水熱法合成出海膽狀五氧化二鈮微球，用于鋰離子電池負(fù)極材料表現(xiàn)出較好的電化學(xué)性能，但是合成出的海膽狀五氧化二鈮微球形狀不規(guī)則且分散性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明針對(duì)上述的問(wèn)題，提供了一種用于鋰離子電池負(fù)極材料的海膽狀五氧化二鈮及其制備方法，采用該方法制備的海膽狀五氧化二鈮形貌規(guī)則、分散性好，用于鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種用于鋰離子電池負(fù)極材料的海膽狀五氧化二鈮的制備方法，包括以下步驟：

步驟1)、在攪拌條件下將草酸鈮溶于去離子水中；

步驟2)、向上述溶液中加入一定量的氟化銨，繼續(xù)攪拌0.1-30小時(shí)；

步驟3)、將步驟2)所得溶液轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，置于恒溫干燥箱中加熱反應(yīng)；

步驟4)、將步驟3)所得反應(yīng)沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數(shù)次，直至溶液呈中性，然后置于真空干燥箱中干燥；

步驟5)、將步驟4)所得粉體置于管式爐中焙燒，即得海膽狀五氧化二鈮。

進(jìn)一步地，步驟1)中得到的溶液中的鈮的濃度為0.012-0.020mol/L。

進(jìn)一步地，步驟2)中草酸鈮與氟化銨的摩爾比為1:1.5-1:7。

進(jìn)一步地，步驟3)中加熱溫度為178-185℃，加熱時(shí)間為1-15小時(shí)。

進(jìn)一步地，步驟4)中的真空干燥溫度為60-120℃。

進(jìn)一步地，步驟5)中的焙燒溫度為600-1100℃，焙燒時(shí)間為0.5小時(shí)-1.5小時(shí)。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種由上述的制備方法制備得到的用于鋰離子電池負(fù)極材料的海膽狀五氧化二鈮。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以獲得包括以下技術(shù)效果：

1)本發(fā)明所合成的海膽狀五氧化二鈮是由五氧化二鈮納米帶組裝形成的，納米帶的直徑約為20-50納米，海膽狀五氧化二鈮的形貌規(guī)則，且具有較好的分散性。

2)本發(fā)明合成的海膽狀五氧化二鈮比表面積大。

3)本發(fā)明合成的海膽狀五氧化二鈮用于鋰離子電池負(fù)極表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，此外也可用于光催化、電容器等領(lǐng)域。

4)本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單，反應(yīng)可控性強(qiáng)，生產(chǎn)成本低，可以大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

當(dāng)然，實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品必不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有技術(shù)效果。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備海膽狀五氧化二鈮的X-射線衍射圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備海膽狀五氧化二鈮的掃描電鏡(SEM)照片；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1制備海膽狀五氧化二鈮的透射電鏡(TEM)照片；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例1制備的海膽狀五氧化二鈮在500mA/g電流密度下的前150次循環(huán)性能曲線圖；

圖5是本發(fā)明對(duì)比例1制備得到的產(chǎn)品的掃描電鏡(SEM)照片；

圖6是本發(fā)明對(duì)比例2制備得到的產(chǎn)品的掃描電鏡(SEM)照片。

具體實(shí)施方式

以下將配合附圖及實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，藉此對(duì)本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來(lái)解決技術(shù)問(wèn)題并達(dá)成技術(shù)功效的實(shí)現(xiàn)過(guò)程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。

實(shí)施例1

步驟1)在攪拌條件下將草酸鈮溶于去離子水中，其中溶液中鈮的濃度為0.016mol/L；

步驟2)向上述溶液中加入氟化銨，其中草酸鈮與氟化銨的摩爾比為1:2，繼續(xù)攪拌30小時(shí)；

步驟3)將步驟2)所得溶液轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，置于恒溫干燥箱中，在180℃下加熱反應(yīng)6小時(shí)；

步驟4)將步驟3)所得反應(yīng)沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數(shù)次，然后置于溫度為80℃的真空干燥箱中干燥；

步驟5)將步驟4)所得粉體置于管式爐中，在600℃下焙燒1小時(shí)，即得海膽狀五氧化二鈮。

如圖1所示，樣品的衍射峰與PDF卡片中五氧化二鈮的標(biāo)準(zhǔn)衍射峰吻合，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其它雜質(zhì)峰，說(shuō)明合成的樣品較純。如圖2所示，樣品具有規(guī)則的海膽狀形貌，且具有較好的分散性。如圖3所示，海膽狀五氧化二鈮是由大量納米帶構(gòu)筑而成。如圖4所示，樣品在500mAh/g電流密度下經(jīng)過(guò)150次循環(huán)后的放電比容量仍保持在126.3mAh/g，容量保持率為94％。

實(shí)施例2

步驟1)在攪拌條件下將草酸鈮溶于去離子水中，其中溶液中鈮的濃度為0.012mol/L；

步驟2)向上述溶液中加入氟化銨，其中草酸鈮與氟化銨的摩爾比為1:0.5，繼續(xù)攪拌15小時(shí)；

步驟3)將步驟2)所得溶液轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，置于恒溫干燥箱中，在178℃下加熱反應(yīng)15小時(shí)；

步驟4)將步驟3)所得反應(yīng)沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數(shù)次，然后置于溫度為60℃的真空干燥箱中干燥；

步驟5)將步驟4)所得粉體置于管式爐中，在600℃下焙燒1.5小時(shí)，即得海膽狀五氧化二鈮。

實(shí)施例3

步驟1)在攪拌條件下將草酸鈮溶于去離子水中，其中溶液中鈮的濃度為0.020mol/L；

步驟2)向上述溶液中加入氟化銨，其中草酸鈮與氟化銨的摩爾比為1:2.4，繼續(xù)攪拌20小時(shí)；

步驟3)將步驟2)所得溶液轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，置于恒溫干燥箱中，在185℃下加熱反應(yīng)1小時(shí)；

步驟4)將步驟3)所得反應(yīng)沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數(shù)次，然后置于溫度為120℃的真空干燥箱中干燥；

步驟5)將步驟4)所得粉體置于管式爐中，在1100℃下焙燒0.5小時(shí)，即得海膽狀五氧化二鈮。

實(shí)施例4

步驟1)在攪拌條件下將草酸鈮溶于去離子水中，其中溶液中鈮的濃度為0.018mol/L；

步驟2)向上述溶液中加入氟化銨，其中草酸鈮與氟化銨的摩爾比為1:3.1，繼續(xù)攪拌8小時(shí)；

步驟3)將步驟2)所得溶液轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，置于恒溫干燥箱中，在182℃下加熱反應(yīng)6小時(shí)；

步驟4)將步驟3)所得反應(yīng)沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數(shù)次，然后置于溫度為80℃的真空干燥箱中干燥；

步驟5)將步驟4)所得粉體置于管式爐中，在800℃下焙燒1.2小時(shí)，即得海膽狀五氧化二鈮。

實(shí)施例5

步驟1)在攪拌條件下將草酸鈮溶于去離子水中，其中溶液中鈮的濃度為0.014mol/L；

步驟2)向上述溶液中加入氟化銨，其中草酸鈮與氟化銨的摩爾比為1:7，繼續(xù)攪拌0.1小時(shí)；

步驟3)將步驟2)所得溶液轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，置于恒溫干燥箱中，在184℃下加熱反應(yīng)4小時(shí)；

步驟4)將步驟3)所得反應(yīng)沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數(shù)次，然后置于溫度為100℃的真空干燥箱中干燥；

步驟5)將步驟4)所得粉體置于管式爐中，在900℃下焙燒0.8小時(shí)，即得海膽狀五氧化二鈮。

對(duì)比例1

步驟1)在攪拌條件下將五氯化鈮溶于去離子水中，其中溶液中鈮的濃度為0.016mol/L；

步驟2)向上述溶液中加入氟化銨，其中五氯化鈮與氟化銨的摩爾比為1:2，繼續(xù)攪拌30小時(shí)；

步驟3)將步驟2)所得溶液轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，置于恒溫干燥箱中，在180℃下加熱反應(yīng)6小時(shí)；

步驟4)將步驟3)所得反應(yīng)沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數(shù)次，然后置于溫度為80℃的真空干燥箱中干燥；

步驟5)將步驟4)所得粉體置于管式爐中，在600℃下焙燒1小時(shí)，做不出海膽狀五氧化二鈮。如圖5所示，樣品呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則形貌。

對(duì)比例2

步驟1)在攪拌條件下將草酸鈮銨溶于去離子水中，其中溶液中鈮的濃度為0.016mol/L；

步驟2)向上述溶液中加入氟化銨，其中草酸鈮銨與氟化銨的摩爾比為1:2，繼續(xù)攪拌30小時(shí)；

步驟3)將步驟2)所得溶液轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯聚四氟乙烯的不銹鋼反應(yīng)釜中，置于恒溫干燥箱中，在180℃下加熱反應(yīng)6小時(shí)；

步驟4)將步驟3)所得反應(yīng)沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數(shù)次，然后置于溫度為80℃的真空干燥箱中干燥；

步驟5)將步驟4)所得粉體置于管式爐中，在600℃下焙燒1小時(shí)，做不出海膽狀五氧化二鈮。如圖6所示，樣品呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)則的二次粒子團(tuán)聚體狀形貌。

上述說(shuō)明示出并描述了發(fā)明的若干優(yōu)選實(shí)施例，但如前所述，應(yīng)當(dāng)理解發(fā)明并非局限于本文所披露的形式，不應(yīng)看作是對(duì)其他實(shí)施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境，并能夠在本文所述發(fā)明構(gòu)想范圍內(nèi)，通過(guò)上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離發(fā)明的精神和范圍，則都應(yīng)在發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。