一种磷掺杂二氧化钛/碳纳米纤维负极材料的制备方法与流程

本发明属于无机材料制备技术领域，具体涉及一种磷掺杂二氧化钛/碳纳米纤维负极材料的制备方法。

背景技术：

电子产品的多样化和电动汽车的不断发展推动着科研工作者对锂离子电池的研究，同时高效益、低成本及环境友好型的可再生能源转换及存储成为研究热点。锂离子电池作为能量转换及存储技术的核心变得越来越不可或缺，并广泛应用于手机、笔记本电脑和混合动力车等领域。

过渡金属氧化物在作为电极材料时具有优异的比容量、循环寿命及倍率性能，从而使得其在锂离子电池领域的应用引起了广泛关注。作为一种过渡金属氧化物储锂材料，二氧化钛(tio2)因其具有储量丰富、安全性高、成本低及环境友好等优点而引起广泛关注。然而，tio2作为一种半导体材料，其导电性较差，锂离子扩散系数较小从而限制而其在锂离子电池中的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种磷掺杂二氧化钛/碳纳米纤维负极材料的制备方法，以解决tio2作为负极材料时导电性差以及锂离子扩散系数较小等缺点，本发明通过静电纺丝法制备磷掺杂二氧化钛/碳(p-tio2/c)纳米纤维，制备工艺简单，原料无毒无害，且表现出优异的电化学性能，是一种具有良好应用前景的锂离子电池负极材料。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种磷掺杂二氧化钛/碳纳米纤维负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)分别称取钛酸四正丁酯和聚乙烯吡咯烷酮溶于无水乙醇中，再加入醋酸溶液，搅拌至完全溶解，得到混合溶液；

2)称取磷酸氢二钠加入步骤1)中的混合溶液中，搅拌至完全溶解，得到静电纺丝前驱液；

3)将步骤2)的静电纺丝前驱液进行静电纺丝，得到纳米纤维；

4)将步骤3)得到的纳米纤维在惰性气氛中煅烧，得到p-tio2/c纳米纤维负极材料。

进一步地，步骤1)中钛酸四正丁酯和聚乙烯吡咯烷酮的质量比为5:1。

进一步地，步骤1)中每10ml无水乙醇中加入5g钛酸四正丁酯和1g聚乙烯吡咯烷酮。

进一步地，步骤1)中无水乙醇和醋酸溶液的体积比为10:1。

进一步地，步骤2)中磷酸氢二钠的质量为钛酸四正丁酯质量的1％-7％。

进一步地，步骤3)中静电纺丝过程具体为：将步骤2)的静电纺丝前驱液加入针管中，在电压为15kv、针头与接收轴距离为20cm及1ml/h的推注速度下进行静电纺丝。

进一步地，步骤4)中惰性气氛为ar气氛。

进一步地，步骤4)中煅烧温度为500℃，时间为2h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的制备方法是将dhp作为磷源，加入tio2静电纺丝前驱液中，通过静电纺丝、在惰性气氛中煅烧后得到p-tio2/c纳米纤维。该纳米纤维具有大的比表面积、优异的导电性以及丰富的活性位点，作为锂离子电池的负极材料时，表现出优异的电化学性能，当掺杂5％磷时，在0.1ag^-1电流密度下比容量达到340mahg^-1，倍率性能测试后测试50次循环(0.1ag^-1)比容量仍为340mahg^-1。

附图说明

图1是实施例2制备的p-tio2/c纳米纤维的sem图。

图2是实施例1、2、3制备p-tio2/c纳米纤维作为锂离子电池负极材料的倍率性能图。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

一种磷掺杂二氧化钛/碳纳米纤维负极材料的制备方法，包括以下步骤：

1)分别称取钛酸四正丁酯(c16h36o4ti,tbot)5.0g、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)1.0g溶于10ml无水乙醇中，再加入1ml醋酸溶液，搅拌12h至pvp完全溶解，得到淡黄色的混合溶液。

2)称取含结晶水磷酸氢二钠(na2hpo4·12h2o,dhp)加入步骤1)中的溶液中，其中dhp质量占tbot质量的1％-7％，搅拌24h至完全溶解，得到静电纺丝前驱液。

3)将步骤2)的静电纺丝前驱液加入针管中，在电压为15kv，针头与接收轴距离为20cm及1ml/h的推注速度下进行静电纺丝。

4)将步骤3)得到的纳米纤维在ar气氛中500℃煅烧2h，得到p-tio2/c纳米纤维。

5)将制备的p-tio2/c纳米纤维与粘结剂、导电炭黑混合制备浆料、涂布作为负极材料，在手套箱中组装电池。

6)将组装的电池进行电化学性能测试。

下面结合实施例对本发明做进一步详细描述：

实施例1

1)分别称取钛酸四正丁酯(c16h36o4ti,tbot)5.0g、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)1.0g溶于10ml无水乙醇中，再加入1ml醋酸溶液，搅拌12h至pvp完全溶解，得到淡黄色的混合溶液。

2)称取含结晶水磷酸氢二钠(na2hpo4·12h2o,dhp)加入步骤1)中的溶液中，其中dhp质量占tbot质量的1％，搅拌24h至完全溶解，得到静电纺丝前驱液。

3)将步骤2)的静电纺丝前驱液加入针管中，在电压为15kv，针头与接收轴距离为20cm及1ml/h的推注速度下进行静电纺丝。

4)将步骤3)得到的纳米纤维在ar气氛中500℃煅烧2h，得到p-tio2/c纳米纤维。

5)将制备的p-tio2/c纳米纤维与粘结剂、导电炭黑混合制备浆料、涂布作为负极材料，在手套箱中组装电池。

6)将组装的电池进行电化学性能测试，在0.1ag^-1电流密度下比容量达到279mahg^-1。

实施例2

1)分别称取钛酸四正丁酯(c16h36o4ti,tbot)5.0g、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)1.0g溶于10ml无水乙醇中，再加入1ml醋酸溶液，搅拌12h至pvp完全溶解，得到淡黄色的混合溶液。

2)称取含结晶水磷酸氢二钠(na2hpo4·12h2o,dhp)加入步骤1)中的溶液中，其中dhp质量占tbot质量的5％，搅拌24h至完全溶解，得到静电纺丝前驱液。

3)将步骤2)的静电纺丝前驱液加入针管中，在电压为15kv，针头与接收轴距离为20cm及1ml/h的推注速度下进行静电纺丝。

4)将步骤3)得到的纳米纤维在ar气氛中500℃煅烧2h，得到p-tio2/c纳米纤维。

5)将制备的p-tio2/c纳米纤维与粘结剂、导电炭黑混合制备浆料、涂布作为负极材料，在手套箱中组装电池。

6)将组装的电池进行电化学性能测试，在0.1ag^-1电流密度下比容量达到340mahg^-1。

实施例3

1)分别称取钛酸四正丁酯(c16h36o4ti,tbot)5.0g、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)1.0g溶于10ml无水乙醇中，再加入1ml醋酸溶液，搅拌12h至pvp完全溶解，得到淡黄色的混合溶液。

2)称取含结晶水磷酸氢二钠(na2hpo4·12h2o,dhp)加入步骤1)中的溶液中，其中dhp质量占tbot质量的7％，搅拌24h至完全溶解，得到静电纺丝前驱液。

3)将步骤2)的静电纺丝前驱液加入针管中，在电压为15kv，针头与接收轴距离为20cm及1ml/h的推注速度下进行静电纺丝。

4)将步骤3)得到的纳米纤维在ar气氛中500℃煅烧2h，得到p-tio2/c纳米纤维。

5)将制备的p-tio2/c纳米纤维与粘结剂、导电炭黑混合制备浆料、涂布作为负极材料，在手套箱中组装电池。

6)将组装的电池进行电化学性能测试，在0.1ag^-1电流密度下比容量达到281mahg^-1。

由图1可以看出，当p掺杂的含量为5％时，可以制备出表面光滑的纤维，此外，p-tio2/c纳米纤维表面还出现了一些纳米孔，是碳化过程中dhp分解的结果；由图2可以看出，p-tio2/c(5％)纳米纤维表现出较好的电化学性能，在0.1ag^-1电流密度下比容量达到340mahg^-1，在倍率性能测试后测试50次循环(0.1ag^-1)比容量仍能保持在340mahg^-1。