一种球形Nb₂O₅电极材料及其制备方法

一种球形Nb₂O₅电极材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种球形Nb2O5电极材料的制备方法，具体包括以下步骤：将铌源与溶剂混合，搅拌0.1?24小时，配制成浓度为0.01?10mol/L的含铌溶液；将含铌溶液转移到不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在预定反应温度下反应1?66小时，得到沉淀物；将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真空干燥温度下干燥，得到粉体；将所得的所述粉体置于管式炉中，在预定焙烧温度下焙烧1?66小时，即得球形Nb2O5电极材料。本发明还提供一种根据上述制备方法获得的球形Nb2O5电极材料。本发明制备的球形Nb2O5电极材料用作锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能。
【专利说明】
_种球形Nb205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电极材料领域，具体地说，涉及一种球形Nb2O5电极材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]五氧化二铌(Nb2O5)是一种新型的锂离子电池负极材料，具有高的嵌脱锂电位(大于1.0V)，不会引起锂枝晶和固体电解质氧化膜(SEI膜)的生成，安全性好；同时该材料在嵌脱锂过程中晶型结构保持不变，晶格参数及晶胞体积略有变化(晶胞体积膨胀率小于I % )，结构稳定性好，使其成为一种备受关注的锂离子电池负极材料。
[0003]然而，由于Nb2O5固有电子电导率低，使其在大电流密度下充放电时的电化学性能较差，制约了其商业化应用。当前研究者们主要通过表面包覆高导电相物质或减少材料的颗粒尺寸(特别是制备纳米尺寸材料)来改善M32O5材料的电化学性能。对于锂离子电池而言，纳米级电极材料一是可以缩短锂离子在材料中的扩散距离，提高扩散速率;二是纳米级电极材料具有较大的比表面积，能够增加电极材料与电解液的接触面积，有利于锂离子的迀移和扩散。因此，电极材料纳米化被广泛用来改善电极材料的电化学性能。目前纳米Nb2O5的主要制备方法为:利用乙醇铌水解或者利用HF (氢氟酸)溶解商品化Nb2O5或氢氧化铌后再进一步处理。乙醇铌价格昂贵，而HF溶解法对设备腐蚀严重，工艺复杂。

【发明内容】

[0004]有鉴于此，本发明的目的是提供了一种球形Nb2O5电极材料及其制备方法，该方法制备的球形Nb2O5电极材料用作锂离子电池负极表现出较好的电化学性能。
[0005]本发明提供了一种球形Nb2O5电极材料的制备方法，具体包括以下步骤:
[0006]步骤I):将铌源与溶剂混合，搅拌0.1-24小时，配制成浓度为0.01-10mol/L的含铌溶液；
[0007]步骤2):步骤I)所述的含铌溶液转移到不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在预定反应温度50_250°C下反应1-66小时，得到沉淀物；
[0008]步骤3):将步骤2)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真空干燥温度下干燥，得到粉体；
[0009]步骤4):将步骤3)所得的所述粉体置于管式炉中，在预定焙烧温度下300-1200°C下焙烧1-66小时，即得球形Nb205电极材料。
[0010]进一步的，所述步骤I)中的所述溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇、丙三醇、乙酸、丙酮中的一种或几种。
[0011]进一步的，所述步骤I)中的所述铌源为氟化铌、碘化铌、草酸铌、五氯化铌中的一种或几种。
[0012]进一步的，所述步骤2)中的所述预定反应温度为50-250°C。
[0013]进一步的，所述步骤2)中的所述预定反应温度为70_220°C。
[0014]进一步的，所述步骤3)中所述预定真空干燥温度为50-120°C。
[0015]进一步的，所述步骤5)中的所述预定焙烧温度为300-1200°C。
[0016]进一步的，所述步骤5)中的所述预定焙烧温度为380-1000°C。
[0017]本发明还提供一种根据上述的球形Nb2O5电极材料的制备方法制备的球形Nb2O5电极材料。
[0018]本发明具有如下优点:
[0019]I)本发明避免使用价格昂贵的乙醇铌为原料，同时不需要HF，生产成本低，过程安全环保，并且工艺简单，易于工业化生产。
[0020]2)本发明制备的球形Nb2O5电极材料形貌均匀，且具有较好的分散性，球的平均尺寸约为I微米，并且存在大量介孔。
[0021]3)本发明制备的球形Nb2O5电极材料既具有纳米材料锂离子扩散路径短的优势又具有微米材料结构稳定的特性，作为锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能。在100mA/g电流密度下经过60次循环后仍然保持在203.1mAh/g，容量保持率达为99.1 %。
[0022]当然，实施本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O
【附图说明】
[0023]此处所说明的附图用来提供对本本发明的进一步理解，构成本本发明的一部分，本本发明的示意性实施例及其说明用于解释本本发明，并不构成对本本发明的不当限定。在附图中:
[0024]图1是本发明实施例1制备球形Nb2O5电极材料的X-射线衍射图；
[0025]图2是本发明实施例1制备球形Nb2O5电极材料的扫描电镜(SEM)照片；
[0026]图3是本发明实施例1制备球形Nb2O5电极材料的透射电镜(TEM)照片；
[0027]图4是本发明实施例1制备的球形Nb2O5电极材料在100mA/g电流密度下的前三次充放电曲线图。
[0028]图5是本发明实施例1制备的球形Nb2O5电极材料在100mA/g电流密度下的前60次循环性能曲线图。
【具体实施方式】
[0029]以下将配合附图及实施例来详细说明本本发明的实施方式，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。
[0030]实施例1
[0031]I)将氟化铌与乙酸混合，搅拌24小时，配制成浓度为0.81mol/L的含铌溶液;本实施例中，氟化铌作为铌源，乙酸作为溶剂；
[0032]2)步骤I)所得含铌溶液转移到不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在150°C下反应36小时，得到沉淀物；
[0033]3)将步骤2)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在70°C下干燥，得到粉体；
[0034]4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在420°C下焙烧46小时，即得球形Nb2O5材料。
[0035]如图1所示，经过上述步骤制得的球形Nb2O5电极材料样品的衍射峰与标准TOF卡片中Nb205(JCPDS card No: 30-0873)的衍射峰完全吻合，并且衍射峰较宽，说明样品的颗粒尺寸较小。如图2所示，经过上述步骤制得的球形Nb2O5电极材料样品呈现出球形，尺寸约为I微米，并且分散均匀。如图3所示，经过上述步骤制得的球形Nb2O5材料中存在大量介孔。如图4所示，经过上述步骤制得的球形Nb205材料样品在10mA/ g电流密度下的前三次充放电曲线，样品前三次的放电比容量分别为205.3、201.3和197.9mAh/g。如图5所示，经过上述步骤制得的球形Nb2O5材料样品具有较好的循环性能，在100mA/g电流密度下经过60次循环后的放电比容量保持在203.5mAh/g，库伦效率为99.1 %。
[0036]实施例2
[0037]I)将草酸铌与甲醇混合，搅拌12小时，配制成浓度为lOmol/L的含铌溶液;本实施例中，草酸铌作为铌源，甲醇作为溶剂；
[0038]2)步骤I)所得含铌溶液转移到不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在220°C下反应24小时，得到沉淀物；
[0039]3)将步骤2)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在50°C下干燥，得到粉体；
[0040]4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在800°C下焙烧I小时，即得球形Nb2O5材料。[0041 ] 实施例3
[0042]I)将碘化铌与丙酮混合，搅拌0.1小时，配制成浓度为0.0lmol/L的含铌溶液;本实施例中，碘化铌作为铌源，丙酮作为溶剂；
[0043]2)步骤I)所得含铌溶液转移到不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在220°C下反应18小时，得到沉淀物；
[0044]3)将步骤2)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在120°C下干燥，得到粉体；
[0045]4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在1000°C下焙烧2小时，即得球形Nb2O5材料。
[0046]实施例4
[0047]I)将五氯化铌与异丙醇混合，搅拌6小时，配制成浓度为6.3mol/L的含铌溶液;本实施例中，五氯化铌作为铌源，异丙醇作为溶剂；
[0048]2)步骤I)所得含铌溶液转移到不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在70°C下反应60小时，得到沉淀物；
[0049]3)将步骤2)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在90°C下干燥，得到粉体；
[0050]4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在710°C下焙烧23小时，即得球形Nb2O5材料。[0051 ] 实施例5
[0052]I)将草酸铌与丙三醇混合，搅拌18小时，配制成浓度为0.29mo 1/L的含铌溶液;本实施例中，草酸铌作为铌源，丙三醇作为溶剂；
[0053]2)步骤I)所得含铌溶液转移到不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在70°C下反应36小时，得到沉淀物；
[0054]3)将步骤2)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在50°C下干燥，得到粉体；
[0055]4)将步骤3)所得粉体置于管式炉中，在380°C下焙烧46小时，即得球形Nb2O5材料。
[0056]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。
[0057]本发明具有如下优点:
[0058]I)本发明避免使用价格昂贵的乙醇铌为原料，同时不需要HF，生产成本低，过程安全环保，并且工艺简单，易于工业化生产。
[0059]2)本发明制备的球形Nb2O5电极材料形貌均匀，且具有较好的分散性，球的平均尺寸约为I微米，并且存在大量介孔。
[0060]3)本发明制备的球形Nb2O5电极材料既具有纳米材料锂离子扩散路径短的优势又具有微米材料结构稳定的特性，作为锂离子电池负极材料表现出优异的电化学性能。在100mA/g电流密度下经过60次循环后仍然保持在203.1mAh/g，容量保持率达为99.1 %。
[0061]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。
[0062]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。
[0063]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】
1.一种球形Nb2O5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):将铌源与溶剂混合，搅拌0.1-24小时，配制成浓度为0.01-10mol/L的含铌溶液； 步骤2):步骤I)所述的含铌溶液转移到不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在预定反应温度下反应1-66小时，得到沉淀物； 步骤3):将步骤2)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真空干燥温度下干燥，得到粉体； 步骤4):将步骤3)所得的所述粉体置于管式炉中，在预定焙烧温度下焙烧1-66小时，SP得球形Nb205电极材料。2.根据权利要求1所述的一种球形Nb2O5电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤I)中的所述溶剂为乙醇、甲醇、异丙醇、丙三醇、乙酸、丙酮中的一种或几种。3.根据权利要求2所述的一种球形Nb2O5电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤I)中的所述铌源为氟化铌、碘化铌、草酸铌、五氯化铌中的一种或几种。4.根据权利要求3所述的一种球形Nb2O5电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的所述预定反应温度为50-250 °C。5.根据权利要求4所述的一种球形Nb2O5电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的所述预定反应温度为70-220 °C。6.根据权利要求5所述的一种球形Nb2O5电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中所述预定真空干燥温度为50-120Γ。7.根据权利要求6所述的一种球形Nb2O5电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中的所述预定焙烧温度为300-1200 °C。8.根据权利要求7所述的一种球形Nb2O5电极材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中的所述预定焙烧温度为380-1000°C。9.一种根据权利要求1至8任一项所述的球形Nb2O5电极材料的制备方法制备的球形Nb2O5电极材料。
【文档编号】H01M4/485GK106025255SQ201610492986
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月23日
【发明人】刘光印, 刘小娣, 李政道, 赵强, 毛武涛, 包晓玉, 张瑞雪, 郭佳莉, 季晓广, 魏铭
【申请人】南阳师范学院