[发明专利]一种碳包覆正交晶系纳米棒状Nb2O5材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，更具体地，涉及一种碳包覆正交晶系纳米棒状五氧化二铌材料及其制备方法，其具有较高的容量、较好的倍率和循环性能。

背景技术

随着混合电动汽车的发展以及其对高能量密度和高功率密度储能器件的需求,锂离子混合超级电容器是近年来逐渐被关注的一种新型储能元件。由于同时使用了锂离子电池和超级电容器的电极材料，锂离子混合超级电容器拥有电池和电容的双重特性,具有比常规电容器能量密度大,比锂离子电池功率密度高的优点。但是由于负极材料的氧化还原反应要明显慢于正极碳材料的物理吸脱附反应，这导致了锂离子混合超级电容器的能量密度发挥受到限制。因此，开发具有高容量和倍率性能的负极材料极为迫切。

近期，科学家们发现正交晶系五氧化二铌(Nb₂O₅)表现出嵌入脱出型赝电容，并且锂离子的快速脱嵌不仅发生在纳米晶体的表面同时也发生在体相中，其理论比容量达到了200mAh/g左右。然而，进一步的研究表明，正交晶系Nb₂O₅材料仍然存在以下缺陷和不足：Nb₂O₅材料本身的电导率很低(～3×10–6S/cm)，并且正交晶系Nb₂O₅在高温条件下合成(>700℃) 其结构很难保持良好的纳米结构。这些都严重阻碍了正交晶系Nb₂O₅在锂离子混合超级电容器中的应用。相应地，本领域急需对正交晶系Nb₂O₅材料作出进一步的完善和改进，使Nb₂O₅充分发挥出其容量和倍率性能，制备出导电性良好的纳米结构正交晶系Nb₂O₅，以满足市场的迫切需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可用于锂离子混合超级电容器的碳包覆的正交晶系五氧化二铌负极材料及其制备方法，其中通过对其制备方法的具体步骤、工艺参数及其产品结构等方面进行研究和设计，使其能够生成碳包覆的正交晶系纳米棒状五氧化二铌材料。由此解决目前常用的Nb₂O₅材料容量低、倍率性能较差的问题，还具有导电性能良好、制作方法简单易行、成本低廉和和适合大规模生产等优点，十分适于用作锂离子混合超级电容器的负极材料。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种碳包覆正交晶系纳米棒状Nb₂O₅材料的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤1：取一定量的油酸和三辛胺，将所述油酸和三辛胺按照体积比例 3:16混合均匀，制得混合物A；

步骤2：将一定量的铌酸铵草酸盐加入到上述混合物A中，搅拌后得溶液B；

步骤3：将步骤2中得到的溶液B进行微波水热反应，其中温度范围设定为150℃～170℃，反应时间设定为30min～1h；

步骤4：将步骤3中反应后得到的产物进行离心分离，由此得到下层带少量残余溶剂的固液混合物C；

步骤5：将步骤4中所得到的固液混合物C放入管式炉中进行煅烧处理，保护气氛采用Ar气体，煅烧温度为800℃，煅烧时间设定为1h～2h，由此制得所需的碳包覆的正交晶系纳米棒状Nb₂O₅材料。

作为进一步优选的，在步骤2中，所述铌酸铵草酸盐的摩尔质量为1.65 mM。

作为进一步优选的，在步骤3中，所述微波水热反应在微波水热反应釜中进行，所述微波水热温度设定为160℃，反应时间设定为30min。

作为进一步优选的，在步骤5中，所述煅烧时间设定为2h。

通过微波水热的方法制得Nb₂O₅前驱体纳米棒，并且在煅烧的过程中由于碳源的引入使得在800℃的高温下仍然保持了纳米棒的结构。而将各组份比例、微波水热反应的温度和时间、管式炉煅烧的处理温度和时间等关键参数控制在一定范围内，能够保证制备的碳包覆正交晶系Nb₂O₅材料的纯度，同时提高反应速度，从而最终提高由此锂离子混合超级电容器的性能。

合成碳包覆正交晶系纳米棒状Nb₂O₅材料的反应机理为：