一种电池负极材料、制备方法及其应用

1.本发明属于锂离子电池技术领域，尤其涉及一种电池负极材料、制备方法及其应用。


背景技术：

2.在过去的几十年里，锂离子电池的快速发展，催生了便携式电子设备供电的无线革命，以及在电动汽车和智能电网的大规模应用。新的应用需求对锂离子电池技术提出了更高的要求，例如更高的输出功率和更快的充电能力。然而，电化学储能设备的功率和能量密度通常是的两个彼此制约的目标。能量密度较高的电池通常功率较小，而大功率电容器的能量密度很低。在储能领域，实现高能大功率设备一直是一个长期追求但极具挑战性的目标。原则上，大功率和快速充电的锂离子电池需要正负极材料的都具有相当高的倍率性能。传统石墨负极的离子导电性较差，且存在安全隐患。其他潜在负极材料，如si、sn和转化型金属氧化物，锂离子反应动力学缓慢，且体积膨胀严重，从而破坏锂离子电池的速率、循环和安全性。
3.最近，赝电容材料引起了广泛关注，其中表面或近表面氧化还原反应有利于快速充电/放电。然而，赝电容电极的可用性有限。例如，nb2o5表现出高性能赝电容，但昂贵的元素构成限制了其应用。另一个任务是寻找合适的正极与赝电容负极配对。大多数研究都集中在制造不对称电容器上，这种电容器将赝电容负极与电容正极(活性炭)结合在一起，不可避免地会导致低能量密度。因此，至关重要的是探索新的低成本赝电容电极和创新组合，以实现新一代的能量存储设备，同时针对高功率密度和高能量密度。
4.钠元素的丰度高，成本相对较低，是电池级碳酸锂的价格几十分之一。因此，低成本的钠元素在大型储能系统中显示出了竞争优势。但是目前，na2ti3o7的合成方法主要通过水热法合成或者利用固相混合合成，制备方法复杂，晶型结构不可控，实际应用效果不理想。因此，亟需设计一种新的电池负极材料。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)电化学储能设备的功率和能量密度通常是的两个彼此制约的目标，能量密度较高的电池通常功率较小，而大功率电容器的能量密度很低。
7.(2)传统石墨负极的离子导电性较差，且存在安全隐患；其他潜在负极材料，如si、sn和转化型金属氧化物，锂离子反应动力学缓慢，且体积膨胀严重，从而破坏锂离子电池的速率、循环和安全性。
8.(3)赝电容电极的可用性有限，nb2o5构成元素昂贵；不对称电容器将赝电容负极与电容正极(活性炭)结合在一起，不可避免地会导致低能量密度。
9.(4)目前，na2ti3o7的合成方法主要通过水热法合成或者利用固相混合合成，制备方法复杂，晶型结构不可控，实际应用效果不理想。


技术实现要素：

10.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电池负极材料、制备方法及其应用。
11.本发明是这样实现的，一种电池负极材料，含有钠、钛、氧元素；作为一种纳米管或线状材料，其直径为6～15nm，所述电池负极材料的制备方法，是将二氧化钛分散于氢氧化钠溶液中并进行水热反应；将反应产物分离后洗涤并干燥，将干燥产物粉碎、煅烧，制备得到电池负极材料。
12.进一步，所述电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
13.步骤一，将二氧化钛分散到氢氧化钠溶液中，得到混合溶液；
14.步骤二，将混合溶液转入水热反应釜中，进行水热反应；
15.步骤三，通过离心或过滤分离，去离子水洗涤多次并干燥，得到粉体；
16.步骤四，将得到的粉体在高温下煅烧，得到电池负极材料。
17.进一步，所述步骤一中的二氧化钛为0.5～2.0g，优选为1g，所述二氧化钛粒径为15～30nm，优选为20nm。
18.进一步，所述步骤一中的氢氧化钠溶液浓度为5～70mol/l，优选为10～50mol/l。
19.进一步，所述步骤二中的水热反应温度为120～150℃，优选为130℃，反应时间为18～36h，优选为24h。
20.进一步，所述步骤三中的洗涤次数优选为3次。
21.进一步，所述步骤四中的煅烧温度为300～500℃，优选为400℃，煅烧时间为40～90min，优选为60min。
22.本发明的另一目的在于提供一种实施所述的电池负极材料的制备方法制备得到的电池负极材料。
23.本发明的另一目的在于提供一种所述的电池负极材料在锂离子电池组装中的应用。
24.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
25.第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
26.本发明设计了一种新的负极材料，显示出非凡的速率性能，同时具有出色的功率和能量密度平衡。本发明设计了一种低成本na2ti3o7(命名为nto)，以显示优异的充放电容量。本发明提供的纳米结构nto以前曾被研究作为na离子存储的负极材料，由于电容的贡献，表现出明显的电化学性能。然而，由于正极部分不匹配，nto在器件中的性能受到影响。然后，本发明选择高性能lini
0.5
mn
1.5
o4(lnmo)正极与赝电容负极配对，开发新的储能模式。
27.第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
28.本发明提供了一种电池负极材料，这种独特设计的器件显示出了卓越功率密度，同时保持了较高的能量密度。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本发明实施例提供的电池负极材料的制备方法流程图；
31.图2是本发明实施例提供的电池充放电曲线图；
32.图3是本发明实施例提供的纳米结构钛酸钠材料的xrd图；
33.图4是本发明实施例提供的电池循环寿命示意图；
34.图5是本发明实施例提供的电池倍率性能示意图；
35.图6是本发明实施例提供的bet曲线图；
36.图7是本发明实施例提供的高倍率透射电镜图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
38.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种电池负极材料及其制备方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
39.为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
40.如图1所示，本发明实施例提供的电池负极材料的制备方法，包括以下步骤：
41.s101，将二氧化钛分散到氢氧化钠溶液中，得到混合溶液；
42.s102，将混合溶液转入水热反应釜中，进行水热反应；
43.s103，通过离心或过滤分离，去离子水洗涤多次并干燥，得到粉体；
44.s104，将得到的粉体在高温下煅烧，得到电池负极材料，该材料含有钠、钛、氧元素，作为一种纳米管或线状材料。
45.本发明实施例提供的步骤s101中的二氧化钛为1g，二氧化钛粒径为20nm；氢氧化钠溶液浓度为10mol/l，氢氧化钠溶液配比为50ml。
46.本发明实施例提供的步骤s102中的水热反应温度为130℃，水热反应时间为24h。
47.本发明实施例提供的步骤s103中的洗涤次数为3次。
48.本发明实施例提供的步骤s104中的煅烧温度为400℃，煅烧时间为1h。
49.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。
50.实施例1：
51.本发明实施例提供的电池负极材料的制备方法包括以下步骤：
52.步骤一，将二氧化钛1g分散到氢氧化钠溶液中，氢氧化钠溶液浓度为10mol/l，氢氧化钠溶液配比为50m得到混合溶液；
53.步骤二，将混合溶液转入水热反应釜中，进行水热反应；
54.步骤三，通过离心或过滤分离，去离子水洗涤3次并干燥，得到粉体；
55.步骤四，将得到的粉体在高温下煅烧，煅烧温度为400℃，煅烧时间为1h，得到电池负极材料。
56.二、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
57.本发明实施例提供的电池充放电曲线如图2所示，本发明实施例提供的纳米结构钛酸钠材料的xrd图如图3所示，本发明实施例提供的电池循环寿命图如图4所示，本发明实施例提供的电池倍率性能示意图如图5所示，本发明实施例提供的bet曲线如图6所示，本发明实施例提供的高倍率透射电镜图如图7所示。
58.本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势。
59.本发明的有益效果或优势：
60.本发明的材料具有高的比表面积150～200m2/g；具有高的比容量170～240mah/g；超过1000次的长循环寿命；高达100c的放电倍率，可见本发明提供的电池负极材料性能优异。
61.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。