[发明专利]一种多孔碳微球原位复合纳米TiO2

说明书

本发明涉及锂离子电池技术领域，且公开了一种多孔碳微球原位复合纳米TiO₂，TiO₂纳米管具有更高的比表面积和锂离子脱嵌位点，TiO₂纳米管均匀分散在聚丙烯腈微球中，进一步通过预氧化脱氢‑环化过程和高温碳化过程，聚丙烯腈微球碳化生成氮掺杂多孔碳球，而TiO₂纳米管高度分散在氮掺杂多孔碳球基团中，氮掺杂有利于提高多孔碳球的电化学性质和导电性，产生丰富的锂离子脱嵌位点，进一步加速电子和锂离子的扩散，同时氮掺杂多孔碳球的修饰有利于减少TiO₂纳米管体积膨胀的现象，起到稳定TiO₂的纳米管状结构形貌，有利于提高负极材料的结构稳定性和电化学循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体为一种多孔碳微球原位复合纳米TiO₂的制备方法和应用。

背景技术

近年来，人类过度开发和使用化石能源，导致化石燃料的储量日益锐减，同时给环境带来严重污染，各国都在大力发展新能源储能系统，如锂离子充电、燃料电池、超级电容器等，而锂离子电池具有能量密度高，循环寿命长和环境友好等优点，在笔记本电脑和手机等便捷式电子产品中具有广泛的应用，并且在新能源电动汽车、航空航天等大型储能等新能源领域展现出广阔的发展前景。

目前商业化锂离子电池的负极材料为石墨负极材料，但是石墨负极材料的实际比容量较低，因此需要开发比容量高。循环稳定性好的新型负极材料，如活性碳负极材料、合金类负极材料、金属氧化物类负极材料，其中二氧化钛负极材料的工作过程为脱锂-嵌锂过程，并且其无毒环保、化学性质稳定，在锂离子电池负极材料中具有广泛的研究，但是二氧化钛的电子导电率和离子导电率较低，不利于电子和锂离子的扩散和迁移，导致负极材料的倍率性能和比容量较低，限制了二氧化钛负极材料的发展。

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种多孔碳微球原位复合纳米TiO₂的制备方法和应用，解决了二氧化钛负极材料倍率性能和比容量较低的问题。

(二)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多孔碳微球原位复合纳米TiO₂，所述多孔碳微球原位复合纳米TiO₂的制备方法包括以下步骤：

(1)向反应瓶中加入蒸馏水、氢氧化钠和纳米TiO₂，超声至均匀分散，将溶液倒入反应釜中，加热至120-140℃，反应20-30h，稀盐酸酸洗和蒸馏水洗涤，得到TiO₂纳米管。

(2)向反应瓶中乙醇和稀氨水混合溶剂，加入TiO₂纳米管和硅烷偶联剂，超声至均匀分散，加热至40-60℃，匀速搅拌反应5-10h，离心分离、蒸馏水和乙醇洗涤，得到改性TiO₂纳米管。

(3)在氮气氛围中，向反应瓶中加入蒸馏水和乙醇混合溶剂，加入改性TiO₂纳米管，超声至均匀分散，加热至60-70℃，加入丙烯腈，再缓慢滴加过硫酸钾溶液，匀速搅拌反应3-6h，冷冻干燥除去溶剂，使用蒸馏水洗涤，得到聚丙烯腈微球修饰TiO₂纳米管。

(4)将聚丙烯腈微球修饰TiO₂纳米管置于气氛管式炉中，进行预氧化过程，得到脱氢-环化聚丙烯腈微球修饰TiO₂纳米管。

(5)将质量比为10:25-40的脱氢-环化聚丙烯腈微球修饰TiO₂纳米管和氢氧化钾研磨混合，置于气氛管式炉中，进行碳化过程，制备得到多孔碳微球原位复合纳米TiO₂，应用于锂离子电池负极材料中。

优选的，所述步骤(1)中的氢氧化钠和纳米TiO₂的质量比为20-30:1。