一种海胆状Nb2O5电极材料及其制备方法与流程

本发明属于锂离子电池电极材料领域，具体地说，涉及一种海胆状Nb₂O₅电极材料及其制备方法。

背景技术：

五氧化二铌(Nb₂O₅)属于层状“剪切面ReO₃结构”，在嵌脱锂过程中，材料内部结构基本不发生变化，具有良好的循环稳定性。该材料的的嵌脱锂电位较高(1-2.0V)，避免了锂枝晶和固体电解质氧化膜(SEI膜)的生成，具有高的安全性。Nb₂O₅是一种n型半导体材料，其低的固有电子电导率，导致其电化学性能不理想。

为了改善Nb₂O₅的电化学性能，当前研究者们主要通过制备纳米级Nb₂O₅材料，比如，纳米粒子、纳米球、纳米片、纳米棒等。电极材料纳米化不仅可以缩短锂离子的扩散距离，而且还可以增加电极材料与电解液的接触面积，有利于锂离子的快速扩散。近年来人们研究发现，电极材料的形貌结构对其电化学性能有很大影响，通过设计合成具有特殊形貌结构的电极材料可以大幅提高材料的电化学性能。例如，Lu等人利用水热法合成出类海胆状Nb₂O₅微球表现出较好的电化学性能(H.Lu,K.Xiang,N.Bai,W.Zhou,S.Wang,H.Chen,Urchin-shaped Nb₂O₅microspheres synthesized by the facile hydrothermal method and their lithium storage performance.Materials Letters,167(2016)106-108)。但是依照上述方法合成出的样品形貌不规则，并且分散性差。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供了一种海胆状Nb₂O₅电极材料及其制备方法，所制备的Nb₂O₅电极材料形貌规则，分散性好；在用作锂离子电池负极材料时表现出优异的电化学性能。

本发明提供一种海胆状Nb₂O₅电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1)：配制由异丙醇和丙三醇组成的混合液，搅拌0.2-26小时；

步骤2)：将铌源加入到所述混合液中，其中铌的浓度为0.015-17mol/L；

步骤3)：将步骤2)所得溶液转移至不锈钢反应釜中，在恒温干燥箱中在预定加热温度下加热反应，得到沉淀物；

步骤4)：将步骤3)所得的所述沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中在预定干燥温度下真空干燥，得到粉状前驱物；

步骤5)：将步骤4)所得的所述粉状前驱物置于管式炉中，在预定焙烧温度下焙烧0.5-50小时，即得海胆状Nb₂O₅电极材料。

进一步的，所述步骤1)中所述异丙醇和所述丙三醇的比例为1:15-15:1。

进一步的，所述步骤2)中所述铌源为乙醇铌、草酸铌、五氯化铌、氟化铌、碘化铌中的一种或几种。

进一步的，所述步骤3)中所述预定加热温度为70-260℃。

进一步的，所述步骤3)中所述预定干燥温度为45-120℃。

进一步的，所述步骤5)中的焙烧温度为300-950℃。

进一步的，所述步骤5)中的焙烧温度为200-1000℃。

本发明还提供一种根据上述的海胆状Nb₂O₅电极材料的制备方法制得的海胆状Nb₂O₅电极材料。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

1)本发明制备的海胆状Nb₂O₅电极材料形貌规则，平均尺寸约为0.5微米，且分散性好。

2)本发明制备的海胆状Nb₂O₅电极材料是由Nb₂O₅纳米线组装形成的，既能发挥纳米材料优良的电化学反应动力学，又具有微米材料稳定性好的特性，用作锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能。

3)本发明提供的海胆状Nb₂O₅电极材料制备方法具有工艺简单，易于工业化生产等优点，可推广制备其它无机功能材料。

当然，实施本发明的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例1制备海胆状Nb₂O₅电极材料的X-射线衍射图；

图2是本发明实施例1制备海胆状Nb₂O₅电极材料的扫描电镜(SEM)照片；

图3是本发明实施例1制备的海胆状Nb₂O₅电极材料在100mA/g电流密度下的前50次循环性能曲线图。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1

1)将异丙醇和丙三醇按体积比10:1混合得到混合液，搅拌16小时；

2)将五氯化铌加入到上述混合液中，其中铌的浓度为7.9mol/L，五氯化铌为铌源的一种；

3)将步骤2)所得溶液转移至不锈钢反应釜中，在恒温干燥箱中240℃加热反应，得到沉淀物；其中240℃为预定的加热温度；

4)将步骤3)所得的沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中80℃真空干燥，得到粉状前驱物；其中80℃为预定的干燥温度；

5)将步骤4)所得粉体前驱物置于管式炉中，在420℃下焙烧30小时，即得海胆状Nb₂O₅电极材料；其中420℃为预定的焙烧温度。

如图1所示，根据实施例1的方法所制得的海胆状Nb₂O₅电极材料样品的衍射峰与标准PDF卡片中Nb₂O₅(JCPDS：30-0873)的衍射峰相吻合，无其它杂质峰，并且衍射峰较宽。如图2所示，根据实施例1的方法所制得的海胆状Nb₂O₅电极材料样品呈现出形貌规则的海胆状，尺寸约为0.5微米，仔细观察可以发现，海胆是由大量纳米线组装形成的。如图3所示，根据实施例1的方法所制得的海胆状Nb₂O₅电极材料样品具有较好的循环稳定性，在100mA/g电流密度下经过100次循环后的放电比容量保持在228.1mAh/g，容量保持率为92.4％。

实施例2

1)将异丙醇和丙三醇按体积比1:1混合得到混合液，搅拌20小时；

2)将乙醇铌加入到上述混合液中，其中铌的浓度为0.9mol/L，乙醇铌为铌源的一种；

3)将步骤2)所得溶液转移至不锈钢反应釜中，在恒温干燥箱中150℃加热反应，得到沉淀物；其中150℃为预定的加热温度；

4)将步骤3)所得的沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中68℃真空干燥，得到粉状前驱物；其中68℃为预定的干燥温度；

5)将步骤4)所得粉体前驱物置于管式炉中，在910℃下焙烧0.5小时，即得海胆状Nb₂O₅电极材料；其中910℃为预定的焙烧温度。

实施例3

1)将异丙醇和丙三醇按体积比1:3混合得到混合液，搅拌26小时；

2)将碘化铌加入到上述混合液中，其中铌的浓度为0.015mol/L，碘化铌为铌源的一种；

3)将步骤2)所得溶液转移至不锈钢反应釜中，在恒温干燥箱中260℃加热反应，得到沉淀物；其中260℃为预定的加热温度；

4)将步骤3)所得的沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中45℃真空干燥，得到粉状前驱物；其中45℃为预定的干燥温度；

5)将步骤4)所得粉体前驱物置于管式炉中，在300℃下焙烧50小时，即得海胆状Nb₂O₅电极材料；其中300℃为预定的焙烧温度。

实施例4

1)将异丙醇和丙三醇按体积比15:1混合得到混合液，搅拌3小时；

2)将氟化铌加入到上述混合液中，其中铌的浓度为1.7mol/L，氟化铌为铌源的一种；

3)将步骤2)所得溶液转移至不锈钢反应釜中，在恒温干燥箱中70℃加热反应，得到沉淀物；其中70℃为预定的加热温度；

4)将步骤3)所得的沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中120℃真空干燥，得到粉状前驱物；其中120℃为预定的干燥温度；

5)将步骤4)所得粉体前驱物置于管式炉中，在950℃下焙烧42小时，即得海胆状Nb₂O₅电极材料；其中950℃为预定的焙烧温度。

实施例5

1)将异丙醇和丙三醇按体积比1:15混合得到混合液，搅拌0.2小时；

2)将草酸铌加入到上述混合液中，其中铌的浓度为17mol/L，草酸铌为铌源的一种；

3)将步骤2)所得溶液转移至不锈钢反应釜中，在恒温干燥箱中130℃加热反应，得到沉淀物；其中130℃为预定的加热温度；

4)将步骤3)所得的沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中109℃真空干燥，得到粉状前驱物；其中109℃为预定的干燥温度；

5)将步骤4)所得粉体前驱物置于管式炉中，在670℃下焙烧32小时，即得海胆状Nb₂O₅电极材料；其中670℃为预定的焙烧温度。

实施例2至实施例5的测试结果与实施例1的测试结果接近，在此不再赘述。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

2)本发明制备的海胆状Nb₂O₅电极材料形貌规则，平均尺寸约为0.5微米，且分散性好。

2)本发明制备的海胆状Nb₂O₅电极材料是由Nb₂O₅纳米线组装形成的，既能发挥纳米材料优良的电化学反应动力学，又具有微米材料稳定性好的特性，用作锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能。

3)本发明提供的海胆状Nb₂O₅电极材料制备方法具有工艺简单，易于工业化生产等优点，可推广制备其它无机功能材料。

当然，实施本发明的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定成分或方法。本领域技术人员应可理解，不同地区可能会用不同名词来称呼同一个成分。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分成分的方式。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。