[发明专利]一种纳米二氧化铌/碳锂离子电池负极材料的制备方法

说明书

本发明公开一种纳米二氧化铌/碳锂离子电池负极材料的制备方法。本发明采用丙烯酸树脂作为二氧化铌前驱体的溶剂，使二氧化铌前驱体与树脂均匀混合分散，煅烧过程中原位产生的纳米二氧化铌颗粒，并均匀分散在碳基质中即可。通过调控树脂和二氧化铌前驱体的比例、煅烧温度和时间选择得到合适的纳米二氧化铌颗粒尺寸和晶型，得到具有多层级结构、颗粒尺寸可控、导电性良好的纳米二氧化铌/碳复合材料。采用本发明材料作为新型锂离子电池负极材料，具有比五氧化二铌更高理论比容量，同时纳米尺度的颗粒可以缩短锂离子在脱嵌过程中的扩散距离，均匀包覆的碳材料可以提升复合材料的电导率。

技术领域

本发明属于材料化学和电化学领域,涉及一种纳米二氧化铌/碳锂离子电池负极材料的制备方法。

背景技术

随着化石能源的大量消耗，能源危机以及环境污染的问题日趋严重。二次能源的开发已成为研究的热点，其中锂离子电池因为能量密度高、无记忆效应和环境友好等特点受到广泛关注。但随着动力电池等方面对高性能的需求，亟需开发具有高功率、高能量密度的材料以替代现有锂离子电池中的石墨负极材料。过渡金属氧化物因其具有高比容量和相对安全的对锂电位，被认为是下一代锂离子电池负极材料的有力替代者。其中，铌基金属氧化物如五氧化二铌等近年来开始成为研究热点。铌基金属氧化物具有低体积应变(3％)，同时因其在嵌锂过程晶型稳定，所以具有良好的锂离子脱嵌性能，尤其在大倍率下放电性能出众。但由于自身较低的电导率(10^-6S cm^-1)，导致铌基金属氧化物的循环性能较差，容量衰减迅速。

为改善铌基金属氧化物电导率低，循环寿命短的问题，目前研究主要采用降低材料尺寸以及与其它材料复合的方式来提升其导电率、改善循环性能。公开号为CN106532028A的专利采用草酸铌为前驱体，与氟化铵混合、高温高压反应后，经过洗涤、干燥、煅烧得到海胆状五氧化二铌。这种具有多级微纳结构的海胆状五氧化二铌有效缩短锂离子在材料中的传输距离，提升电池的循环寿命。但该方法得到的五氧化二铌比容量为130mAh g^-1左右，低于材料的理论比容量(200mAh g^-1)，同时反应过程中加入的氟化铵腐蚀性较强，不易于后处理。公开号为CN 102593441 A的专利采用离子掺杂和表面包覆的方法对五氧化二铌进行改性，得到的五氧化二铌粉末导电性得到提高，以此降低极片制作中导电剂的添加量，活性物质的占比提升至90％以上。但这种方法在掺杂过程中需要引入重金属离子，对环境有一定的污染性。

综上所述，现有的铌基氧化物主要存在容量低，循环寿命短，合成步骤繁琐、环境不友好等问题，开发一种电化学性能优异、制备途径简单的铌基氧化物负极材料是所述技术领域的难点；同时现有铌基氧化物的研究主要集中在五氧化二铌上，对二氧化铌在锂离子电池领域的应用尚未涉及，而通过计算，二氧化铌具有比五氧化二铌更高的理论比容量，所以开发二氧化铌在锂离子电池负极材料上的应用属于技术创新。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术不足，提供一种纳米二氧化铌/碳锂离子电池负极材料的制备方法，用所得到的材料制备的锂离子电池循环性能稳定，倍率性能出众，制备方法简单并且环境友好。

为达到以上目的，本发明采取以下技术方案：

一种纳米二氧化铌/碳锂离子电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)、将丙烯酸不饱和树脂单体在50-100℃下搅拌软化；

步骤(2)、将二氧化铌前驱体和热引发剂依次加入上述树脂中，在50-100℃下搅拌混合；每10克树脂中含有二氧化铌前驱体1-40克，含有热引发剂0.01-0.5克。

步骤(3)、将上述步骤(2)得到的含有二氧化铌前驱体的树脂混合液置于80-120℃下预固化10-120分钟，再升温至100-160℃下固化1-6小时，得到二氧化铌/聚丙烯酸酯固体复合材料。

步骤(4)、将得到的固体复合材料进行粉碎，得到固体颗粒。