一种五氧化二铌介孔微球电极材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种五氧化二铌介孔微球电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：配制由两种或两种以上醇组成的混合液，搅拌0.1?12小时；将铌源加入到上述混合液中，所述混合液中铌的浓度为0.01?15mol/L；将所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，并置于恒温干燥箱中，在第一温度下加热反应1?60小时得到反应物；将所得的所述反应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第二温度下干燥，得到粉体；将所得的所述粉体置于管式炉中，在第三温度下焙烧1?60小时，得到五氧化二铌介孔微球电极材料。本发明还提供一种根据上述方法制备的五氧化二铌介孔微球电极材料。
【专利说明】
一种五氧化二铌介孔微球电极材料及其制备方法
技术领域
[0001 ]本发明属于锂离子电池材料领域，具体地说，涉及一种五氧化二铌介孔微球电极材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]为了缓解能源压力和减轻大气雾霾问题，发展新能源电动汽车已经成为当务之急。锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、使用寿命长和环境友好等优点，被认为是电动汽车的理想动力源。然而目前商业化的锂离子动力电池还存在着充电时间长、安全性低等问题，制约了电动汽车产业的发展。电极材料对电池性能起决定性影响。当前商业化的锂离子电池负极材料主要为各种石墨类碳材料，虽然碳材料具有价格低廉、使用寿命长等优点，但是其嵌脱锂电位较低(约0.2V vs.Li+/Li)，易导致锂枝晶的生成，引发安全性问题；此外，碳材料的锂离子扩散系数低，不能进行快速充放电，显然碳材料已经不能满足动力电池的基本要求。
[0003]近年来，五氧化二铌(Nb2O5)作为锂离子电池负极材料表现出良好的电化学性能，受到研究者的关注。五氧化二铌属于ReO3结构，能够在锂离子嵌脱时保持结构稳定，并且该结构有利于锂离子的扩散;五氧化二铌的嵌脱锂电位较高(1-2.0V)，有效避免了锂枝晶的生成，具有高的安全性。然而由于其低的固有电子电导率，使其在大电流密度下的电化学性能不理想，进而制约了其大规模商业化应用。当前改善五氧化二铌电化学性能的途径主要包括包覆碳材料或纳米化。
[0004]电极材料纳米化可以缩短锂离子和电子的扩散距离，已经被广泛用来改善材料的电化学性能。但目前为止，纳米粒子、纳米棒、纳米线、纳米片等纳米结构的五氧化二银均有文献报道，并且较微米级五氧化二铌表现出较好的电化学性能，但是其倍率性能还不理想。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明的目的是提供了一种具有优异电化学性能的五氧化二铌介孔微球电极材料及其制备方法。
[0006]本发明提供的一种五氧化二铌介孔微球电极材料的制备方法，具体包括以下步骤:
[0007]步骤I):配制由两种或两种以上醇组成的混合液，搅拌0.1-12小时；
[0008]步骤2):将铌源加入到上述混合液中，所述混合液中铌的浓度为0.01-15mol/L;
[0009]步骤3):将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，并置于恒温干燥箱中，在第一温度下加热反应1-60小时得到反应物；
[0010]步骤4):将步骤3)所得的所述反应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第二温度下干燥，得到粉体；
[0011]步骤5):将步骤4)所得的所述粉体置于管式炉中，在第三温度下焙烧1-60小时，得到五氧化二铌介孔微球电极材料。
[0012]进一步的，所述步骤I)中的所述醇为乙醇、乙二醇、甲醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇、丙三醇、I，2-丙二醇、I，2，3-丙三醇中的一种或几种。
[0013]进一步的，所述步骤2)中的所述铌源为草酸铌、五氯化铌、乙醇铌、氟化铌中的一种或几种。
[0014]进一步的，所述步骤3)中的所述第一温度为60_220°C。
[0015]进一步的，所述步骤4)中的所述第二温度为40_130°C。
[0016]进一步的，所述步骤5)中的所述第三温度为350-1100°C。
[0017]本发明还提供一种由上述制备方法制备得到的五氧化二铌介孔微球电极材料。
[0018]进一步的，所述五氧化二铌介孔微球的尺寸为1-5微米。
[0019]进一步的，所述五氧化二铌介孔微球包含大量介孔。
[0020]与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果:
[0021]I)本发明制备的五氧化二铌介孔微球形貌均匀，且具有较好的分散性；
[0022]2)本发明制备的五氧化二铌介孔微球，既能够发挥纳米材料的电化学反应动力学特性，又具有微米材料良好的结构稳定性，用作锂离子电池负极表现出优异的电化学性能。
[0023]3)本发明提供的五氧化二铌介孔微球制备方法具有工艺简单，成本低，易于规模化生产等优点，可推广制备其它无机功能材料。
[0024]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】
[0025]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:
[0026]图1是本发明实施例1制备五氧化二铌介孔微球电极材料的X-射线衍射图；
[0027]图2是本发明实施例1制备五氧化二铌介孔微球电极材料的扫描电镜(SEM)照片；
[0028]图3是本发明实施例1制备五氧化二铌介孔微球电极材料的透射电镜(TEM)照片；
[0029]图4是本发明实施例1制备的五氧化二铌介孔微球电极材料在100mA/g电流密度下的前三次充放电曲线图；
[0030]图5是本发明实施例1制备的五氧化二铌介孔微球电极材料在100mA/g电流密度下的前50次循环性能曲线图。
【具体实施方式】
[0031]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。
[0032]实施例1
[0033]I)配制由乙醇和丙三醇组成的混合液，搅拌6小时；
[0034]2)将乙醇铌加入到上述混合液中，其中混合液中铌的浓度为0.9moI/L，乙醇铌为铌源的一种；
[0035]3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在220°C下加热反应60小时得到反应物；
[0036]4)将步骤3)所得的反应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130°C下干燥，得到粉体；
[0037]5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在450°C下焙烧60小时，即得五氧化二铌介孔微球电极材料。
[0038]如图1所示，所制得的五氧化二铌介孔微球样品的衍射峰与标准TOF卡片中五氧化二铌的衍射峰完全吻合，没有发现其它杂质峰，并且衍射峰较宽，说明样品的颗粒尺寸较小。如图2所示，所制得的五氧化二铌介孔微球样品呈现出微球形，尺寸约为I微米，并且微球的表面比较粗糙，可以发现明显的大量孔洞。如图3所示，所制得的五氧化二铌介孔微球是由大量纳米粒子组装形成的，纳米粒子的尺寸约为20-30纳米。如图4所示，所制得的五氧化二铌介孔微球样品在100mA/g电流密度下的前三次充放电曲线，样品的第二次和第三次充放电曲线基本重合，样品前三次的放电比容量分别为207.8、190.7和189.6mAh/g。如图5所示，所制得的五氧化二铌介孔微球样品具有较好的循环性能，在100mA/g电流密度下经过50次循环后的放电比容量保持在199.1mAh/g，库伦效率约为100%。
[0039]实施例2
[0040]I)配制由乙二醇和I，2-丙二醇组成的混合液，搅拌12小时；
[0041 ] 2)将草酸铌加入到上述混合液中，其中混合液中铌的浓度为6mo 1/L，草酸铌为铌源的一种；
[0042]3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在140°C下加热反应36小时得到反应物；
[0043]4)将步骤3)所得的反应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70°C下干燥，得到粉体；
[0044]5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在950°C下焙烧30小时，即得五氧化二铌介孔微球电极材料。
[0045]实施例3
[0046]I)配制由正丙醇和I，2，3-丙三醇组成的混合液，搅拌8小时；
[0047]2)将五氯化铌加入到上述混合液中，其中混合液中铌的浓度为0.0ImoI/L，五氯化铌为铌源的一种；
[0048]3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在160°C下加热反应I小时得到反应物；
[0049]4)将步骤3)所得的反应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40°C下干燥，得到粉体；
[0050]5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在350°C下焙烧60小时，即得五氧化二铌介孔微球电极材料。
[0051 ] 实施例4
[0052]I)配制由正己醇和异丙醇组成的混合液，搅拌0.1小时；
[0053]2)将草酸铌铵加入到上述混合液中，其中混合液中铌的浓度为4.2mo I /L，草酸铌铵为铌源的一种；
[0054]3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在120°C下加热反应20小时得到反应物；
[0055]4)将步骤3)所得的反应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87°C下干燥，得到粉体；
[0056]5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在650°C下焙烧26小时，即得五氧化二铌介孔微球电极材料。
[0057]实施例5
[0058]I)配制由正丁醇、异戊醇和丙三醇组成的混合液，搅拌2小时；
[0059]2)将乙醇铌加入到上述混合液中，其中混合液中铌的浓度为12.3moI/L，乙醇铌为铌源的一种；
[0060]3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在100°C下加热反应42小时得到反应物；
[0061]4)将步骤3)所得的反应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90°C下干燥，得到粉体；
[0062]5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在870°C下焙烧24小时，即得五氧化二铌介孔微球电极材料。
[0063]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。
[0064]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” ο “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。
[0065]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。
[0066]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。
【主权项】
1.一种五氧化二铌介孔微球电极材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤: 步骤I):配制由两种或两种以上醇组成的混合液，搅拌0.1-12小时； 步骤2):将铌源加入到上述混合液中，所述混合液中铌的浓度为0.01-15mol/L; 步骤3):将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，并置于恒温干燥箱中，在第一温度下加热反应1-60小时得到反应物； 步骤4):将步骤3)所得的所述反应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第二温度下干燥，得到粉体； 步骤5):将步骤4)所得的所述粉体置于管式炉中，在第三温度下焙烧1-60小时，得到五氧化二铌介孔微球电极材料。2.根据权利要求1所述的五氧化二铌介孔微球电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤I)中的所述醇为乙醇、乙二醇、甲醇、异丙醇、正丙醇、正丁醇、异丁醇、正戊醇、异戊醇、丙三醇、I，2-丙二醇、I，2，3-丙三醇中的一种或几种。3.根据权利要求2所述的五氧化二铌介孔微球电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的所述铌源为草酸铌、五氯化铌、乙醇铌、氟化铌中的一种或几种。4.根据权利要求3所述的五氧化二铌介孔微球电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中的所述第一温度为60-220°C。5.根据权利要求4所述的五氧化二铌介孔微球电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中的所述第二温度为40-130°C。6.根据权利要求5所述的五氧化二铌介孔微球电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中的所述第三温度为350-1100 °C。7.—种由权利要求1-6中任一项权利要求所述的制备方法制备得到的五氧化二铌介孔微球电极材料。8.根据权利要求7所述的五氧化二铌介孔微球电极材料，其特征在于，所述五氧化二铌介孔微球的尺寸为1-5微米。9.根据权利要求8所述的五氧化二铌介孔微球电极材料，其特征在于，所述五氧化二铌介孔微球包含大量介孔。
【文档编号】B82Y40/00GK105958113SQ201610474317
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】刘光印, 李政道, 刘小娣, 赵强, 毛武涛, 杨浩, 谢海泉, 张瑞雪, 郭佳莉, 季晓广, 魏铭
【申请人】南阳师范学院