一种海胆状五氧化二铌材料及其制备方法和应用与流程

本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体地说，涉及一种海胆状五氧化二铌材料及其制备方法和应用。

背景技术：

五氧化二铌具有优良的物理化学性质，广泛应用于锂离子电池、气体传感器、光催化等领域。五氧化二铌用作锂离子电池负极材料具有高的嵌/脱锂电位，可以避免锂枝晶的生成，增强了电池的安全性；此外，五氧化二铌属于reo3结构，具有高的倍率充放电性能和循环性能。因此，五氧化二铌被认为是一种理想的高性能锂离子电池负极材料。

在研究过程中人们发现五氧化二铌材料的形貌结构对其电化学性能影响较大。设计合成具有特定形貌结构的五氧化二铌材料已成为研究的热点之一。近年来人们发现由纳米结构单元组装形成的结构体系(微纳结构体系)具有一些独特的物理化学特性，用作锂离子电极材料展现出优异的电化学性能。到目前为止，这类结构的五氧化二铌材料报道的还较少。lu等人利用水热法合成出海胆状五氧化二铌(h.lu,k.xiang,etal.materialsletters,167(2006)106-108)；liu等人也利用水热法合成出海胆状五氧化二铌(s.liu,j.zhou,etal.nanotechnology,27(2016)lt01)，都表现出较好的电化学性能。但是他们的制备过程中较繁琐，并且都需要使用草酸辅助，且合成出的海胆状五氧化二铌形状不规则、分散性差。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种简易、高效、低成本制备海胆状五氧化二铌材料的制备方法，采用该方法制备的海胆状五氧化二铌电极材料形貌规则、分散性好，用作锂离子电池负极具有优异的电化学性能。

本发明的第二目的在于提供一种海胆状五氧化二铌材料。

本发明的第三目的在于提供了所述海胆状五氧化二铌的应用。

本发明的第四目的在于提供一种锂离子电池负极。

本发明的目的还在于提供一种锂离子电池。

本发明的海胆状五氧化二铌材料的制备方法采用如下技术方案：一种海胆状五氧化二铌材料的制备方法，包括下述步骤：(1)将可溶性铌源溶于乙酸中；(2)使步骤(1)所得溶液进行加热反应；(3)加热反应结束后离心分离沉淀物，并洗涤、干燥；(4)对经步骤(3)处理所得的固体进行焙烧处理，即得海胆状五氧化二铌材料。

作为进一步优选的技术方案，所述铌源选自乙醇铌、草酸铌、五氯化铌或草酸铌铵中的任意一种或几种。

作为进一步优选的技术方案，所述步骤(2)中加热反应的温度为75-310℃，反应时间为0.1-60h(例如，加热反应的时间可为0.1-0.5h、0.5h-60h、6h-60h、6h-48h、6h-15h、0.5h-6h、0.5h-12h、0.5h-48h等)。

作为进一步优选的技术方案，所述步骤(4)中焙烧的温度为200-950℃(例如，焙烧的温度可为200-375℃、375-450℃、375-600℃、450-600℃、450-900℃、600-900℃、900-950℃等)，焙烧时间为0.1-24h(例如，焙烧的时间可为0.1-1h、0.1-5h、0.1-4h、0.1-8h、0.1-11h、4-8h、4-5h、4-11h、4-24h、5-8h、5-11h、5-24h、8-11h、8-24h、11-24h等)。

作为进一步优选的技术方案，所述步骤(4)中焙烧的温度为375-900℃。

作为进一步优选的技术方案，所述海胆状五氧化二铌材料的制备方法包括下述步骤：(1)在搅拌条件下将可溶性铌源溶于乙酸中，其中溶液中铌离子的浓度为0.005-13mol/l，继续搅拌0.05-10小时；(2)将步骤(1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的高压不锈钢反应釜中，加热反应；(3)对经步骤(2)处理所得反应液进行离心处理，得到沉淀物，分别用乙醇和去离子水洗涤(根据需要可分别采用乙醇和去离子水洗涤数次)所述沉淀物后置于真空干燥箱中干燥；(4)将经步骤(3)处理所得的固体放入坩埚中后置于管式炉中焙烧，即得海胆状五氧化二铌材料。

本发明的海胆状五氧化二铌材料采用如下技术方案：一种海胆状五氧化二铌材料，所述海胆状五氧化二铌材料按照如上述任意一项所述的方法制备得到。

本发明的海胆状五氧化二铌材料的应用采用如下技术方案：如上所述的海胆状五氧化二铌材料在制备锂离子电池负极、气体传感器和光催化材料中的应用。

本发明的锂离子电池负极采用如下技术方案：一种锂离子电池负极，所述锂离子电池负极的原料或组成包括如上所述的海胆状五氧化二铌。

本发明的锂离子电池采用如下技术方案：一种锂离子电池，所述锂离子电池的原料或组成包括如上所述的海胆状五氧化二铌材料或如上所述的锂离子电池负极。

本发明的有益效果是：1)本发明制备的海胆状五氧化二铌形貌规则，且具有较好的分散性；

2)本发明制备的海胆状五氧化二铌具有微纳结构体系，具有许多新的物理化学性质，用作锂离子电池负极具有优异的电化学性能，此外还可用于光催化、气体传感器等领域。

3)本发明具有工艺简单、高效、生产成本低的特点，可大规模工业化生产。

当然，实施本申请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

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例1制备海胆状五氧化二铌的x-射线衍射图；

图2是本申请实施例1制备海胆状五氧化二铌的扫描电镜(sem)照片；

图3是本发明实施例1制备的海胆状五氧化二铌在2000ma/g电流密度下循环800次的性能曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，藉此对本申请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。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

步骤1)在搅拌条件下将五氯化铌溶于乙酸中，其中溶液中铌离子的浓度为2.05mol/l，继续搅拌6小时；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的高压不锈钢反应釜中，在155℃的温度下加热反应60小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物离心分离，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体放入坩埚中后置于管式炉中，在450℃下焙烧8小时，即得海胆状五氧化二铌材料。

如图1所示，经过与标准pdf卡片中五氧化二铌的衍射峰相对比发现样品的衍射峰与其完全吻合，说明合成的样品较纯。如图2所示，样品具有较规则的海胆状形貌，且具有较好的分散性。如图3所示，样品在10c倍率下循环800次的性能曲线(10c＝2000mah/g)，由图可知样品具有较好的倍率循环性能，在10c倍率下经过800次循环的放电比容量保持在122mah/g。

实施例2

步骤1)在搅拌条件下将乙醇铌溶于乙酸中，其中溶液中铌离子的浓度为0.005mol/l，继续搅拌10小时；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的高压不锈钢反应釜中，在310℃的温度下加热反应0.5小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物离心分离，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体放入坩埚中后置于管式炉中，在600℃下焙烧4小时，即得海胆状五氧化二铌材料。

实施例3

步骤1)在搅拌条件下将草酸铌溶于乙酸中，其中溶液中铌离子的浓度为3.56mol/l，继续搅拌5.5小时；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的高压不锈钢反应釜中，在230℃的温度下加热反应6小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物离心分离，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体放入坩埚中后置于管式炉中，在450℃下焙烧5小时，即得海胆状五氧化二铌材料。

实施例4

步骤1)在搅拌条件下将五氯化铌溶于乙酸中，其中溶液中铌离子的浓度为13mol/l，继续搅拌9.2小时；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的高压不锈钢反应釜中，在150℃的温度下加热反应12小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物离心分离，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体放入坩埚中后置于管式炉中，在375℃下焙烧11小时，即得海胆状五氧化二铌材料。

实施例5

步骤1)在搅拌条件下将草酸铌铵溶于乙酸中，其中溶液中铌离子的浓度为3.6mol/l，继续搅拌0.05小时；

步骤2)将步骤1)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的高压不锈钢反应釜中，在75℃的温度下加热反应48小时；

步骤3)将步骤2)所得反应沉淀物离心分离，分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于真空干燥箱中干燥；

步骤4)将步骤3)所得粉体放入坩埚中后置于管式炉中，在900℃下焙烧24小时，即得海胆状五氧化二铌材料。

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。