[发明专利]一种Cu掺杂三维有序非晶二氧化钛纳米管复合材料的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种Cu掺杂三维有序非晶TiO₂纳米管复合材料的应用，属于新能源材料的开发与研究领域。

背景技术

尽管石墨是目前商品锂离子电池中最常用的负极材料，但当电池过充电时，枝晶锂容易在碳电极表面析出而造成短路安全隐患，同时，有机电解液容易在碳电极表面形成钝化膜（SEI膜），并导致电池产生不可逆容量损失。因此，一些替代负极材料如Si、Sn、MoO₃、TiO₂等引起了人们极大的研究兴趣，其中，TiO₂具有电荷转移速度快，安全性好，体积膨胀率小等诸多优点，尤其是以阳极氧化法制备的TiO₂纳米管，与水热法和模板法制备的TiO₂纳米管相比，纳米管的排列更加规整有序，壁厚均匀，结构稳定，作为微型锂离子电池的负极材料时可操作性较强，是一种颇有应用前景的微型负极材料。原位电沉积法制备的Cu掺杂的三维有序非晶TiO₂纳米管阵列复合材料，已经被应用于光催化、染料敏化太阳能电池等研究领域，但在锂离子电池中的应用研究鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供Cu掺杂三维有序非晶TiO₂纳米管复合材料的应用，具体的，将Cu掺杂三维有序非晶TiO₂纳米管阵列复合材料用作锂离子电池的工作电极，其中电极、参比电极、隔膜、电解液均为本领域制备锂离子电池过程中的常规选择。

优选的，本发明所述Cu掺杂三维有序非晶TiO₂纳米管复合材料在制备锂离子电池时，可以无需添加额外的导电剂和粘结剂。

优选的，本发明所述Cu掺杂三维有序非晶TiO₂纳米管复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：以阳极氧化法制备的三维有序非晶TiO₂纳米管阵列为工作电极，以铂片为对电极，以饱和甘汞电极为参比电极，以含有支持电解质的铜盐溶液为电解液，在非晶TiO₂纳米管阵列上原位电沉积Cu，即可制得Cu掺杂的三维有序非晶TiO₂纳米管阵列复合负极材料，冲洗干净并真空干燥后备用。

优选的，铜盐为硝酸铜、硫酸铜或氯化铜，在电解液中铜盐的浓度为0.01～0.1mol/L。

优选的，支持电解质为硫酸盐或稀硫酸，在电解液中硫酸盐或稀硫酸的浓度为0.01～0.03 mol/L。

优选的，所述电沉积的沉积时间为20～100 s。

优选的，所述电沉积的沉积电位为-1.0～-2.0 V。

优选的，所述的真空干燥温度为20～40℃。

利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）对所得样品进行微观结构表征，如图1、图2、图3所示，这些结果清楚地表明了所得到的样品确实为Cu掺杂的三维有序TiO₂纳米管阵列复合负极材料。

本发明的优点与效果:

本发明中Cu掺杂的三维有序非晶TiO₂纳米管阵列复合负极材料的非晶TiO₂纳米管排列规整有序，比表面积大，且与金属钛集流体结合牢固，与锐钛矿型晶体TiO₂纳米管阵列相比，由阳极氧化法直接得到的非晶TiO₂纳米管阵列负极材料不仅可以更容易地实现原位改性，无需煅烧过程，简化了改性工艺，而且自身的结构缺陷为锂离子脱/嵌提供了更多的空位和空间，因而放电比容量更高。无需添加额外的导电剂和粘结剂，直接用作锂离子电池负极材料时，Cu掺杂改善了三维有序非晶TiO₂纳米管阵列负极材料的电导率，减少了电池的内阻及电荷转移电阻，有利于锂离子的可逆脱/嵌过程，并提高了其充/放电性能及循环稳定性能。沉积时间为100 s时的复合负极材料在循环50次后，与空白三维有序非晶TiO₂纳米管阵列负极材料相比，放电比容量提高了80%。

附图说明

图1 阳极氧化法制备的Cu掺杂三维有序非晶TiO₂纳米管阵列负极材料的SEM图。

图2 实施例2制备的Cu掺杂的三维有序非晶TiO₂纳米管阵列复合负极材料的SEM图。