[发明专利]一种锡掺杂金红石TiO2

说明书

本发明提供了一种锡掺杂金红石TiO₂复合材料的制备方法及其应用。通过离子交换和取代，结合在管式炉里面的后期煅烧，即可得到Sn‑TiO₂，接着与聚多巴胺包覆，碳化之后与氧化石墨烯复合，然后在进行氧化石墨的还原，即制得锡掺杂金红石TiO₂复合材料。该锡掺杂金红石TiO₂复合材料应用于锂离子电池负极材料。本发明利用简单的离子交换和吸附以及碳材料改性得到锡掺杂金红石TiO₂复合材料。将其作为储能电极材料时，展现了高容量，循环稳定性能好。本发明方法提供了一种无机金属掺杂钛酸盐的合成策略，为获得高容量，高倍率，循环稳定性的材料提供借鉴意义。

技术领域

本发明属于纳米材料与电化学器件技术领域，具体涉及一种锡掺杂金红石TiO₂复合材料（Sn-TiO₂@C/RGO复合材料）的制备方法及其应用。该方法通过室温下离子吸附和掺入手段来制备锡掺杂金红石TiO₂，接着对其进行碳包覆和复合还原氧化石墨烯改性。该复合材料应用于锂离子电池负极材料，具有一定的推广性。

背景技术

这些年来，TiO₂作为一种过渡金属氧化物被广泛应用储能领域，因为其在充放电过程体积变化小。循环稳定性好，同时与石墨电极相比，有较高的工作平台，不易生成锂枝晶，但是作为热稳定性最高的金红石结构，由于其脱嵌锂之间滞后比较低，锂离子在其结构中扩散是各向异性的，导致其容量较低，大大抑制了其材料的应用，纳米化以及掺杂皆可以提高其性能。锡基材料具有高容量，不过Sn基电极在合金化/去合金化的过程中，体积膨胀率达到250 %，使得电极粉化严重导致容量迅速下降，因此结合这两类材料的特点，因此用锡对TiO₂进行掺杂。由于Sn⁴⁺的离子半径(0.71 Å)比Ti⁴⁺的离子半径(0.68 Å)大，Sn掺杂取代Ti后扩大了TiO₆八面体体积，为Li⁺的嵌入提供了更大的空间和通道，减小了锂离子在内部扩散的阻力。同时进行锡掺杂热处理之后，会形成多孔结构，这种纳米多孔结构为锂离子扩散提供了有效的通道，缩短了锂离子的传输路径，可以提高大电流密度充放电时的比容量，可以得到高容量，循环稳定性好的安全电极材料。

纳米颗粒TiO₂在充放电过程中较容易发生团聚，将其进行聚多巴胺包覆，碳化得到的碳层可以减缓材料在充放电过程中的团聚，氧化石墨烯由于其高比表面，高导电性备受研究者青睐。将碳包覆的锡掺杂二氧化钛与还原氧化石墨烯复合，这种独特的复合材料可以为电子的传输提供快速通道，使得电极材料的电子和离子导电率提高，同时二维的石墨烯结构，也增加了电极材料与电解液的接触面积，可以有效的减少内阻，即可得到优越电化学性能的负极材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种制备工艺简单的锡掺杂金红石TiO₂复合材料的制备方法及其应用。制得的复合材料具有优异的电化学性能，以克服现有负极材料的不足。

制备锡掺杂金红石TiO₂复合材料的具体步骤为:

（1）称取0.5 g TiN超声分散在120 mL去离子水中，然后加入16 mL 30 wt%的H₂O₂，接着加入16 mL 25 wt%的氨水，所得混合液继续搅拌，颜色由黑色慢慢变为透明的黄色溶液，然后再加入76 mL无水乙醇，搅拌10分钟后放到80 ℃的油浴锅中反应12小时，得到白色沉淀，然后用去离子水和乙醇洗至中性，干燥，即得无定形TiO₂纳米球。