[发明专利]一种铌酸钛/碳复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本申请属于锂离子电池材料领域，具体地说，涉及一种铌酸钛/碳复合电极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池广泛应用于手机、数码相机等电子产品中，目前正在向电动工具、电动车、电网储能等领域延伸发展，这就要求锂离子电池具有高的能量密度、功率密度和安全性。当前商业化的锂离子电池负极材料主要以石墨类碳材料为主，虽然其具有较好的循环性能和低廉的价格，但是由于其嵌锂电位低，在大电流充放电或过充时易引发安全性问题。此外，碳材料的倍率性能较差，不能进行快速充放电。因此，急需开发新型的高性能负极材料。

近年来，铌基化合物(例如：Nb₂O₅，LiNb₃O₈，TiNb₂O₇等)由于具有高的氧化还原电位(1.0-2.0V)，可以有效的抑制有机电解液的分解，具有较高的安全性。此外，铌基化合物的可逆放电比容量一般在300mAh/g左右，与商业化的碳材料相当。所以，铌基化合物开始受到人们的广泛关注。最近，Lin等人首次报道了铌酸钛(TiNb₆O₁₇)作为新型的锂离子电池负极材料表现出优良的电化学性能，在0.1C倍率下的首次放电比容量为383mAh/g，在5C倍率下经过100次循环后保持在178mAh/g.(ChunfuLin，GuizhenWang,ShuiweiLin,JianbaoJi,LiLu.TiNb₆O₁₇:anewelectrodematerialforlithium-ionbatteries.Chem.Commun.2015,51:8970-8973.)。虽然Lin等人制备的铌酸钛材料在低倍率下的性能较好，但是其在大倍率下的性能还有待进一步提高。TiNb₆O₁₇与其它铌基化合物类似，其电子和离子电导率较低，这也是导致其倍率性能不理想的主要原因。

发明内容

有鉴于此，本申请针对TiNb₆O₁₇材料因其电导率低导致的倍率性能低的问题，提供了一种铌酸钛/碳复合电极材料及其制备方法，该制备方法工艺简单、操作方便，易于规模化生产，并且产品的倍率性能优异。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种铌酸钛/碳复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

a、称取二氧化钛、氧化铌和碳源，将这三种物质置于球磨罐中，以乙醇为分散介质，在球磨机上球磨，使原料充分混合；

b、将步骤a所得混合物干燥，得到前驱体；

c、将步骤b所得前驱体在惰性气体保护下煅烧，自然降温至常温后即得铌酸钛/碳复合电极材料。

进一步地，步骤a中二氧化钛和氧化铌中的Ti和Nb的原子比为1：5.5-1：6.5；所述碳源的质量为二氧化钛和氧化铌总质量的0.5％-50％。

进一步地，步骤a中的二氧化钛为金红石型二氧化钛、锐钛矿型二氧化钛、P25型二氧化钛中的一种或几种；步骤a中的氧化铌为二氧化铌、五氧化二铌、三氧化二铌中的一种或几种。

进一步地，步骤a中的碳源为柠檬酸、葡萄糖、蔗糖、炭黑、乙炔黑、石墨、石墨烯、氧化石墨烯中的一种或几种。

进一步地，步骤a中的球磨转速为200-850转/分钟，所述球磨时间为0.5-30小时。

进一步地，步骤b中的干燥温度为60-110℃。

进一步地，步骤c中的惰性气氛为氮气、氩气中的一种或其混合气体。

进一步地，步骤c中煅烧温度为700-1400℃；煅烧时间为1-56小时。

进一步地，步骤c中的煅烧时间为6-40小时。

本申请还公开了一种由上述制备方法制备得到的铌酸钛/碳复合电极材料，该铌酸钛/碳复合电极材料中的碳含量为0.5-20wt％。

与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：

1)本发明利用一步高温固相法原位合成了铌酸钛/碳复合电极材料，提高了材料的电导率，同时碳层的包覆对铌酸钛的颗粒增大现象具有一定的抑制作用。

2)本发明制备工艺简单、操作方便、价格低廉，易于规模化工业生产。

3)本发明制备的铌酸钛/碳复合电极材料具有优异的倍率循环性能，在5和10C倍率下经过50次循环后的放电比容量保持在225.5和214.3mAh/g，几乎没有衰减。