复合电极材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，涉及一种高性能氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着能源危机和人们环保意识的增强，电动汽车越来越受到人们的广泛关注。锂离子电池具有工作电压高、能量密度高和环境污染小等优点，被认为是电动汽车的首选电源。然而目前商业的锂离子动力电池负极材料主要为石墨类碳材料，虽然其具有较好的循环性能、低廉的价格，但是其安全性和倍率性能无法满足电动汽车用动力电池的要求。因此，急需开发高性能和高安全性的新型负极材料。
[0003]近年来，钛酸锂(Li4Ti5012)因其具有高的安全性和优良的循环稳定性而受到人们的广泛关注，但是其理论容量低(175mAh/g)，限制了其作为高比能量动力电池负极材料的规模化应用。Ti2Nb1Q029具有与钛酸锂类似的充放电电压平台(1.65V左右)，能够有效避免固体电解质氧化膜(SEI)和锂枝晶的形成，具有高的安全性，该材料在充放电过程中体积变化较小，循环性能优良。此外，该材料的理论比容量为396mAh/g，高于商业化碳负极材料的理论容量。因此，Ti2Nb1Q029被认为是新型的高动率型锂离子动力电池负极材料。
[0004]目前，关于Ti2Nb1Q029材料的研究还较少，仅有两篇文献报道。Wu等人以Ti02和Nb2〇5为原料利用高温固相法合成出尺寸约为1微米的Ti2Nb1Q029材料，在2C和10C倍率下的可逆容量分别为210和133mAh/g<Xheng等人同样采用固相法合成出尺寸约为1微米的Ti2Nb1029材料，在10C倍率下经过800次循环后的比容量保持在144mAh/g。从上面现有技术中可以看出，Ti2Nb1Q029的电化学性能特别是其高倍率性能并没有充分发挥出来，还需要对该材料进行改进。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种高性能氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料的制备方法，该方法提高了 Ti2Nb1Q029材料的电导率，进而大幅度提高其倍率性能和循环性能，解决了人们对该材料倍率性能的需求问题。此次，本发明工艺简单、操作方便、原料价格低廉，适易于工业化生产。
[0006]其具体技术方案为:
[0007]一种高性能氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料的制备方法，包括以下步骤:
[0008](a)按化学计量比称取二氧化钛、氧化铌及一定量的三聚氰胺加入到玛瑙罐中，以无水乙醇或丙酮为介质，在行星式球磨上以一定转速球磨1-36小时；
[0009](b)将步骤(a)所得浆料在60_120°C下真空干燥，得到粉体混合物；
[0010](c)将上述步骤(b)所得粉体混合物置于马弗炉中，在惰性气体保护下，在一定温度下煅烧0.1-51小时，冷却后即得氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料。
[0011]优选地，步骤(a)所述的二氧化钛为锐钛矿型、金红石型、P25中的一种或几种。[0012 ]优选地，步骤(a)所述的二氧化钛为纳米级。
[0013]优选地，步骤(a)中所述的三聚氰胺的质量为二氧化钛和氧化铌总质量之和的1%-100%。
[0014]优选地，步骤(a)中所述的球磨转速为240-800转/分钟。
[0015]优选地，步骤(c)中所述的惰性气氛为氩气、氮气中的一种或其混合气体。
[0016]优选地，步骤(c)中所述的煅烧温度为750_1460°C。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果为:
[0018]1)本发明通过原位添加三聚氰胺，形成了氮掺杂碳包覆的Ti2Nbi()029复合电极材料;氮原子的掺杂提高了碳的表面极性，增强了电子和传输性能和化学反应活性，氮掺杂碳包覆有效增强了 Ti2Nb1Q029的导电性，减少了其在大倍率下的极化。
[0019]2)本发明制备工艺简单、操作方便、原料价格低廉、生产成本低，易于大规模工业化生产。
[0020]3)本发明制备的氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料具有较高的倍率性能和优异的循环稳定性，在20C倍率下经过500次循环后仍保持在205mAh/g左右。
【附图说明】
[0021]图1为本发明实施例1制备的氮掺杂碳包覆的Ti2Nb1Q029复合电极材料的XRD图；
[0022]图2为本发明实施例1制备的氮掺杂碳包覆的Ti2Nb1Q029复合电极材料的扫描电镜照片；
[0023]图3为本发明实施例1制备的氮掺杂碳包覆的Ti2Nb1Q029复合电极材料的透射电镜照片；
[0024]图4为本发明实施例1制备的氮掺杂碳包覆的Ti2Nb1Q029复合电极材料的在20C倍率下的电化学性能曲线图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
[0026]实施例1
[0027](a)按化学计量比称取锐钛矿型二氧化钛、氧化铌及三聚氰胺(二氧化钛和氧化铌总质量之和的10% )加入到玛瑙罐中，以无水乙醇为介质，在行星式球磨上以300转/分钟球磨1-36小时；
[0028](b)将步骤(a)所得浆料在62_100°C下真空干燥，得到粉体混合物；
[0029](c)将上述(b)所得粉体混合物置于马弗炉中，在氮气保护下，760_1290°C下煅烧
0.1-49小时，冷却后即得氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料。
[0030]实施例1制备的氮掺杂碳包覆的Ti2Nb1Q029复合电极材料的实验结果如图1-图4所不ο
[0031]实施例2
[0032](a)按化学计量比称取金红石型二氧化钛、氧化铌及三聚氰胺(二氧化钛和氧化铌总质量之和的40%)加入到玛瑙罐中，以丙酮为介质，在行星式球磨上以360转/分钟球磨3-32小时；
[0033](b)将步骤(a)所得浆料在67_110°C下真空干燥，得到粉体混合物；
[0034](c)将上述(b)所得粉体混合物置于马弗炉中，在氮气保护下，820_1240°C下煅烧
0.5-41小时，冷却后即得氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料。
[0035]实施例3
[0036](a)按化学计量比称取二氧化钛(P25)、氧化铌及三聚氰胺(二氧化钛和氧化铌总质量之和的70% )加入到玛瑙罐中，以无水乙醇为介质，在行星式球磨上以600转/分钟球磨2-28小时;
[0037](b)将步骤(a)所得浆料在70_110°C下真空干燥，得到粉体混合物；
[0038](c)将上述(b)所得粉体混合物置于马弗炉中，在氩气保护下，1250_1350°C下煅烧2-29小时，冷却后即得氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料。
[0039]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种高性能氮掺杂碳包覆Ti2Nb1029复合电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (a)按化学计量比称取二氧化钛、氧化铌及一定量的三聚氰胺加入到玛瑙罐中，以无水乙醇或丙酮为介质，在行星式球磨上以一定转速球磨1-36小时； (b)将步骤(a)所得浆料在60-120°C下真空干燥，得到粉体混合物； (c)将上述步骤(b)所得粉体混合物置于马弗炉中，在惰性气体保护下，在一定温度下煅烧0.1-51小时，冷却后即得氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料。2.根据权利要求1所述的高性能氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)所述的二氧化钛为锐钛矿型、金红石型、P25中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的高性能氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)所述的二氧化钛为纳米级。4.根据权利要求1所述的高性能氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中所述的三聚氰胺的质量为二氧化钛和氧化铌总质量之和的1%-100%。5.根据权利要求1所述的高性能氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中所述的球磨转速为240-800转/分钟。6.根据权利要求1所述的高性能氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(c)中所述的惰性气氛为氩气、氮气中的一种或其混合气体。7.根据权利要求1所述的高性能氮掺杂碳包覆Ti2Nb1Q029复合电极材料的制备方法，其特征在于，步骤(c)中所述的煅烧温度为750-1460°C。
【专利摘要】本发明公开了一种高性能氮掺杂碳包覆Ti2Nb10O29复合电极材料的制备方法，属于锂离子电池负极材料技术领域。该方法是先将二氧化钛、氧化铌和三聚氰胺按一定比例球磨混合，真空干燥后在惰性气体保护下煅烧即得到氮掺杂碳包覆Ti2Nb10O29复合材料。本发明以廉价的三聚氰胺为氮源和碳源，原位合成出氮掺杂碳包覆的Ti2Nb10O29复合材料，增强了Ti2Nb10O29的导电性，减少了其在大倍率下的极化，使其具有优异的倍率循环性能。此外本发明制备工艺简单、操作方便、原料价格低廉、生产成本低，易于大规模工业化生产。
【IPC分类】H01M4/36, H01M4/62, H01M4/58, H01M10/0525
【公开号】CN105470477
【申请号】CN201510810987
【发明人】刘光印, 季晓广, 鲍克燕, 冯玉全, 孙瑞雪, 张瑞雪, 郭佳莉, 柳文敏, 陈希涵
【申请人】南阳师范学院
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年11月12日