復(fù)合電極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋰離子電池負(fù)極材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高性能氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源危機(jī)和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，電動(dòng)汽車(chē)越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度高和環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是電動(dòng)汽車(chē)的首選電源。然而目前商業(yè)的鋰離子動(dòng)力電池負(fù)極材料主要為石墨類(lèi)碳材料，雖然其具有較好的循環(huán)性能、低廉的價(jià)格，但是其安全性和倍率性能無(wú)法滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池的要求。因此，急需開(kāi)發(fā)高性能和高安全性的新型負(fù)極材料。
[0003]近年來(lái)，鈦酸鋰(Li4Ti5012)因其具有高的安全性和優(yōu)良的循環(huán)穩(wěn)定性而受到人們的廣泛關(guān)注，但是其理論容量低(175mAh/g)，限制了其作為高比能量動(dòng)力電池負(fù)極材料的規(guī)?；瘧?yīng)用。Ti2Nb1Q029具有與鈦酸鋰類(lèi)似的充放電電壓平臺(tái)(1.65V左右)，能夠有效避免固體電解質(zhì)氧化膜(SEI)和鋰枝晶的形成，具有高的安全性，該材料在充放電過(guò)程中體積變化較小，循環(huán)性能優(yōu)良。此外，該材料的理論比容量為396mAh/g，高于商業(yè)化碳負(fù)極材料的理論容量。因此，Ti2Nb1Q029被認(rèn)為是新型的高動(dòng)率型鋰離子動(dòng)力電池負(fù)極材料。
[0004]目前，關(guān)于Ti2Nb1Q029材料的研究還較少，僅有兩篇文獻(xiàn)報(bào)道。Wu等人以Ti02和Nb2〇5為原料利用高溫固相法合成出尺寸約為1微米的Ti2Nb1Q029材料，在2C和10C倍率下的可逆容量分別為210和133mAh/g<Xheng等人同樣采用固相法合成出尺寸約為1微米的Ti2Nb1029材料，在10C倍率下經(jīng)過(guò)800次循環(huán)后的比容量保持在144mAh/g。從上面現(xiàn)有技術(shù)中可以看出，Ti2Nb1Q029的電化學(xué)性能特別是其高倍率性能并沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)，還需要對(duì)該材料進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)存在的缺陷，提供一種高性能氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的制備方法，該方法提高了 Ti2Nb1Q029材料的電導(dǎo)率，進(jìn)而大幅度提高其倍率性能和循環(huán)性能，解決了人們對(duì)該材料倍率性能的需求問(wèn)題。此次，本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、操作方便、原料價(jià)格低廉，適易于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0006]其具體技術(shù)方案為:
[0007]一種高性能氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的制備方法，包括以下步驟:
[0008](a)按化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取二氧化鈦、氧化鈮及一定量的三聚氰胺加入到瑪瑙罐中，以無(wú)水乙醇或丙酮為介質(zhì)，在行星式球磨上以一定轉(zhuǎn)速球磨1-36小時(shí)；
[0009](b)將步驟(a)所得漿料在60_120°C下真空干燥，得到粉體混合物；
[0010](c)將上述步驟(b)所得粉體混合物置于馬弗爐中，在惰性氣體保護(hù)下，在一定溫度下煅燒0.1-51小時(shí)，冷卻后即得氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料。
[0011]優(yōu)選地，步驟(a)所述的二氧化鈦為銳鈦礦型、金紅石型、P25中的一種或幾種。[0012 ]優(yōu)選地，步驟(a)所述的二氧化鈦為納米級(jí)。
[0013]優(yōu)選地，步驟(a)中所述的三聚氰胺的質(zhì)量為二氧化鈦和氧化鈮總質(zhì)量之和的1%-100%。
[0014]優(yōu)選地，步驟(a)中所述的球磨轉(zhuǎn)速為240-800轉(zhuǎn)/分鐘。
[0015]優(yōu)選地，步驟(c)中所述的惰性氣氛為氬氣、氮?dú)庵械囊环N或其混合氣體。
[0016]優(yōu)選地，步驟(c)中所述的煅燒溫度為750_1460°C。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
[0018]1)本發(fā)明通過(guò)原位添加三聚氰胺，形成了氮摻雜碳包覆的Ti2Nbi()029復(fù)合電極材料;氮原子的摻雜提高了碳的表面極性，增強(qiáng)了電子和傳輸性能和化學(xué)反應(yīng)活性，氮摻雜碳包覆有效增強(qiáng)了 Ti2Nb1Q029的導(dǎo)電性，減少了其在大倍率下的極化。
[0019]2)本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、操作方便、原料價(jià)格低廉、生產(chǎn)成本低，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0020]3)本發(fā)明制備的氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料具有較高的倍率性能和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在20C倍率下經(jīng)過(guò)500次循環(huán)后仍保持在205mAh/g左右。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1制備的氮摻雜碳包覆的Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的XRD圖；
[0022]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的氮摻雜碳包覆的Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的掃描電鏡照片；
[0023]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的氮摻雜碳包覆的Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的透射電鏡照片；
[0024]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1制備的氮摻雜碳包覆的Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的在20C倍率下的電化學(xué)性能曲線(xiàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。
[0026]實(shí)施例1
[0027](a)按化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取銳鈦礦型二氧化鈦、氧化鈮及三聚氰胺(二氧化鈦和氧化鈮總質(zhì)量之和的10% )加入到瑪瑙罐中，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，在行星式球磨上以300轉(zhuǎn)/分鐘球磨1-36小時(shí)；
[0028](b)將步驟(a)所得漿料在62_100°C下真空干燥，得到粉體混合物；
[0029](c)將上述(b)所得粉體混合物置于馬弗爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，760_1290°C下煅燒
0.1-49小時(shí)，冷卻后即得氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料。
[0030]實(shí)施例1制備的氮摻雜碳包覆的Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1-圖4所不ο
[0031]實(shí)施例2
[0032](a)按化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取金紅石型二氧化鈦、氧化鈮及三聚氰胺(二氧化鈦和氧化鈮總質(zhì)量之和的40%)加入到瑪瑙罐中，以丙酮為介質(zhì)，在行星式球磨上以360轉(zhuǎn)/分鐘球磨3-32小時(shí)；
[0033](b)將步驟(a)所得漿料在67_110°C下真空干燥，得到粉體混合物；
[0034](c)將上述(b)所得粉體混合物置于馬弗爐中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，820_1240°C下煅燒
0.5-41小時(shí)，冷卻后即得氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料。
[0035]實(shí)施例3
[0036](a)按化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取二氧化鈦(P25)、氧化鈮及三聚氰胺(二氧化鈦和氧化鈮總質(zhì)量之和的70% )加入到瑪瑙罐中，以無(wú)水乙醇為介質(zhì)，在行星式球磨上以600轉(zhuǎn)/分鐘球磨2-28小時(shí);
[0037](b)將步驟(a)所得漿料在70_110°C下真空干燥，得到粉體混合物；
[0038](c)將上述(b)所得粉體混合物置于馬弗爐中，在氬氣保護(hù)下，1250_1350°C下煅燒2-29小時(shí)，冷卻后即得氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料。
[0039]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可顯而易見(jiàn)地得到的技術(shù)方案的簡(jiǎn)單變化或等效替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高性能氮摻雜碳包覆Ti2Nb1029復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (a)按化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)取二氧化鈦、氧化鈮及一定量的三聚氰胺加入到瑪瑙罐中，以無(wú)水乙醇或丙酮為介質(zhì)，在行星式球磨上以一定轉(zhuǎn)速球磨1-36小時(shí)； (b)將步驟(a)所得漿料在60-120°C下真空干燥，得到粉體混合物； (c)將上述步驟(b)所得粉體混合物置于馬弗爐中，在惰性氣體保護(hù)下，在一定溫度下煅燒0.1-51小時(shí)，冷卻后即得氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，步驟(a)所述的二氧化鈦為銳鈦礦型、金紅石型、P25中的一種或幾種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，步驟(a)所述的二氧化鈦為納米級(jí)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，步驟(a)中所述的三聚氰胺的質(zhì)量為二氧化鈦和氧化鈮總質(zhì)量之和的1%-100%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，步驟(a)中所述的球磨轉(zhuǎn)速為240-800轉(zhuǎn)/分鐘。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，步驟(c)中所述的惰性氣氛為氬氣、氮?dú)庵械囊环N或其混合氣體。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高性能氮摻雜碳包覆Ti2Nb1Q029復(fù)合電極材料的制備方法，其特征在于，步驟(c)中所述的煅燒溫度為750-1460°C。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高性能氮摻雜碳包覆Ti2Nb10O29復(fù)合電極材料的制備方法，屬于鋰離子電池負(fù)極材料技術(shù)領(lǐng)域。該方法是先將二氧化鈦、氧化鈮和三聚氰胺按一定比例球磨混合，真空干燥后在惰性氣體保護(hù)下煅燒即得到氮摻雜碳包覆Ti2Nb10O29復(fù)合材料。本發(fā)明以廉價(jià)的三聚氰胺為氮源和碳源，原位合成出氮摻雜碳包覆的Ti2Nb10O29復(fù)合材料，增強(qiáng)了Ti2Nb10O29的導(dǎo)電性，減少了其在大倍率下的極化，使其具有優(yōu)異的倍率循環(huán)性能。此外本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單、操作方便、原料價(jià)格低廉、生產(chǎn)成本低，易于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
【IPC分類(lèi)】H01M4/36, H01M4/62, H01M4/58, H01M10/0525
【公開(kāi)號(hào)】CN105470477
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510810987
【發(fā)明人】劉光印, 季曉廣, 鮑克燕, 馮玉全, 孫瑞雪, 張瑞雪, 郭佳莉, 柳文敏, 陳希涵
【申請(qǐng)人】南陽(yáng)師范學(xué)院
【公開(kāi)日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2015年11月12日