[发明专利]一种钠离子电池碳包覆钛氧化物纳米管负极材料制备方法

说明书

本发明公开了一种钠离子电池碳包覆钛氧化物纳米管负极材料制备方法，是以氧化钛源颗粒为原料，经恒温热浓强碱高压水热反应，酸液浸泡、冷冻干燥得到钛氧化物纳米管前驱体；在前躯体中加入分散剂分散后，加入掺杂剂、聚合单体、引发剂和对苯二酚，原位聚合得到聚合物包覆钛氧化物纳米管前驱体，最后焙烧碳化，得到碳包覆钛氧化物纳米管。本发明所制备出的碳包覆钛氧化物纳米管，极大提高了纳米管的稳定性，减少了团聚，因此具有较好的倍率性能和循环稳定性，同时包裹外层无定型碳层提供特殊的电荷传递通道，可有效降低电荷传质电阻和提高离子扩散效率。

技术领域

本发明涉及钠离子电池材料制备技术领域，具体涉及到一种钠离子电池碳包覆钛氧化物纳米管负极材料制备方法。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭以及其对环境造成的污染问题愈演愈烈，人们逐渐把目光转向于低碳环保的绿色能源。锂离子电池凭借其较高的能量密度、优良的循环性能，在过去数十年里，取得了突飞猛进的发展，在手机电池等移动便携式电子设备、新能源汽车和储能系统等大型动力设备中均有使用。由于全球锂矿资源存储数量有限，加之分布不均，锂矿价格不断攀升，导致锂电池成本高居不下。同时锂电池过充析锂导致短路引发安全的问题，过放导致性能的严重降低、电解液分解造成电池爆炸等问题，人们开始关注锂离子电池的替代品钠离子电池。

钠离子电池的工作原理类似于锂离子电池，同时钠元素含量丰富，成本较低，应用在大规模设备中将具有较大的潜力。由于钠离子体积半径大于锂离子，其在嵌入和脱嵌电极材料中引起的体积变化和性能稳定性问题将更为突出，因此兼具优良稳定性和高效储钠的负极材料具有重要意义。TiO₂是一种较好的储钠负极材料之一，其具有价格低廉、环境友好、结构稳定等优点。但是作为半导体材料，钛基材料的导电性差，严重影响了其储钠容量和倍率性能。目前人们通过制备纳米颗粒、纳米管、纳米线等纳米结构的二氧化钛来提高其性能，但是纳米结构在使用过程中常伴随着副反应发生和不稳定因素，不利于其性能的发挥，同时其本身具有的较大比表面积，增加了其与电解液的接触，致使首次效率和循环性能变差。目前较为有效的方法是碳包覆，但性能依然不够理想。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和改进方法，本发明提供了一种钠离子电池碳包覆钛氧化物纳米管负极材料制备方法，通过碳包覆钛氧化物纳米管，显著增强钛氧化物纳米管材料的稳定性，减少团聚现象，提高倍率性能和循环性能，同时外层包覆的碳能够提供有效的电荷传递途径，可显著降低传质阻力，提高离子扩散效率。

本发明目的为了弥补现有技术的不足和缺陷，制备出聚合物包覆钛氧化物纳米管前驱体以及碳化后碳包覆钛氧化物纳米管，以及后者可用作钠离子电池负极材料。

为了实现一种钠离子电池碳包覆钛氧化物纳米管负极材料制备方法，具体包括以下工艺步骤：

（1）钛氧化物颗粒溶于热浓强碱溶液后，在反应釜经恒温高压反应、酸液浸渍静置、低温冷冻干燥得到钛氧化物纳米管前驱体；

（2）将分散剂分散溶解步骤（1）中前驱体，依次加入掺杂剂、聚合单体、引发剂和对苯二酚，聚合物原位聚合包覆钛氧化物前驱体；

（3）将步骤（2）中产物加热300-600℃煅烧得到碳包覆钛氧化物纳米管。

进一步地，步骤（1）中强碱为无机强碱NaOH、KOH和有机强碱丁基锂以及醇碱金属盐甲醇钠、乙醇钾、叔丁醇钾中的一种或多种组成。

更进一步地，强碱溶液的浓度为5-15mol/L，所述加入强碱与钛源氧化物颗粒质量比为10-100:1。

进一步地，步骤（1）中所述要求的反应釜由聚四氟乙烯、316L不锈钢、锰钢、锆镍基合金中的一种或多种制成。

更进一步地，步骤（1）中恒温高压温度控制在100-400℃，反应釜耐高压在6MPa以上。