CN101958413A - 一种动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料及其制备方法 - Google Patents

一种动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料及其制备方法。该方法是以钛箔为基底，通过溶剂热反应，以浓盐，甲苯，钛酸正丁酯为原料，形成细长的单晶结构的金红石型二氧化钛纳米棒。本发明制备的金红石型二氧化钛纳米棒在0.01～2.5V电位区间内有更高的充放电容量，倍率和循环性能。

Description

一种动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及动力锂离子电池领域，特别涉及一种动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料及其制备方法。
背景技术
随着作为便携式设备电源的广泛应用，锂离子电池被认为是电动汽车和储能设备电源中最有发展潜力的电源。目前，石墨作为锂离子电池的商业负极材料得到广泛的应用，但是也存在一些安全和循环寿命等方面的问题，制约其在电动汽车方面的应用。二氧化钛作为锂离子电池的负极材料，具有高安全性和良好的循环寿命，但其弱的导电性、低倍率容量等缺点同样影响了其应用。单晶结构的金红石型二氧化钛纳米棒可以提供直接的电子通道来提高电子的传输速率，可以提高锂离子电池的性能，具有良好的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种电容量高、倍率性能好的动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料。
本发明的另一目的在于提供一种上述动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料的制备方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料的制备方法，包括下述步骤：
(1)将1～2质量份的钛箔进行抛光处理和超声处理，然后冲洗、干燥，得到表面光亮的钛箔片；
(2)将所述钛箔片放入反应釜，加入10～20质量份的甲苯、1～4质量份的钛酸正丁酯、1～4质量份的浓盐酸(质量分数为37％)，然后在150～200℃下反应4～8小时，再冲洗、烘干，得到动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料。
步骤1中，所述超声处理是用丙酮超声20～30分钟、异丙醇超声20～30分钟、甲醇超声20～30分钟；所述冲洗是采用无水乙醇；所述干燥是在氮气流中干燥1～2小时。
步骤2中，所述冲洗是采用无水乙醇；所述烘干是在60～70℃下烘干12～24小时。
本发明的原理如下：以钛箔为基底，通过溶剂热反应，利用浓盐酸中存在的少量水分，在高温条件下，将溶于甲苯中的钛酸正丁酯与水反应形成单晶结构金红石型二氧化钛，同时钛箔在浓盐酸中溶出钛盐，补充反应消耗的钛酸正丁酯，形成细长的单晶结构的金红石型二氧化钛纳米棒。将单晶结构的金红石型二氧化钛纳米棒分别在0.01～2.5V和1～2.5V进行充放电测试，发现在0.01～2.5V电位区间内有更高的充放电容量、倍率和循环性能。
本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：
(1)本发明采用溶剂热法形成单晶结构金红石型二氧化钛纳米棒独特结构，有利于锂离子的迁移以及电子的传递。
(2)本发明在0.01～2.5V和1～2.5V进行充放电测试相比，在0.01～2.5V有更高的充放电容量、倍率性能和循环性能。
附图说明
图1为实施例1金红石型二氧化钛纳米棒的XRD图。
图2为实施例1金红石型二氧化钛纳米棒的SEM图(a)(10000倍)和(b)(60000倍)。
图3为实施例1金红石型二氧化钛纳米棒的TEM图(a)和FFT图(b)。
图4为实施例1金红石型二氧化钛纳米棒的EDS图。
图5为实施例1金红石型二氧化钛纳米棒在0.01～2.5V(a)和1～2.5V(b)前三圈充放电曲线图。
图6为实施例1金红石型二氧化钛纳米棒在0.01～2.5V和1～2.5V不同电流密度下的循环寿命图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)将1质量份的钛箔进行抛光处理，用丙酮超声30分钟、异丙醇超声30分钟、甲醇超声30分钟，然后用无水乙醇冲洗，再在氮气流中干燥2小时，得到表面光亮的钛箔片。
(2)将上述钛箔片放入到容积为20毫升的反应釜中，同时加入10质量份的甲苯，1质量份的钛酸正丁酯，1质量份的浓盐酸(质量分数为37％)，在180℃下反应4小时；然后将合成的样品用无水乙醇冲洗干净，再在60℃下烘干24小时，得到用于锂离子电池的单晶结构的金红石型二氧化钛纳米棒负极材料。
实施例2
(1)将2质量份的钛箔进行抛光处理，用丙酮超声20分钟、异丙醇超声30分钟、甲醇超声30分钟，然后用无水乙醇冲洗，再在氮气流中干燥1小时，得到表面光亮的钛箔片。
(2)将上述钛箔片放入到容积为20毫升的反应釜中，同时加入10质量份的甲苯，1质量份的钛酸正丁酯，1质量份的浓盐酸(质量分数为37％)，在200℃下反应4小时；然后将合成的样品用无水乙醇冲洗干净，再在70℃下烘干12小时，得到用于锂离子电池的单晶结构的金红石型二氧化钛纳米棒负极材料。
实施例3
((1)将1质量份的钛箔进行抛光处理，用丙酮超声30分钟、异丙醇超声30分钟、甲醇超声20分钟，然后用无水乙醇冲洗，再在氮气流中干燥2小时，得到表面光亮的钛箔片。
(2)将上述钛箔片放入到容积为20毫升的反应釜中，同时加入10质量份的甲苯，1质量份的钛酸正丁酯，1质量份的浓盐酸(质量分数为37％)，然后在180℃下反应8小时。然后将合成的样品用无水乙醇冲洗干净，然后在60℃下烘干24小时，得到用于锂离子电池的单晶结构的金红石型二氧化钛纳米棒负极材料。
实施例4
(1)将1质量份的钛箔进行抛光处理，然后用丙酮超声30分钟、异丙醇超声30分钟、甲醇超声30分钟，然后用无水乙醇冲洗，最后在氮气流中干燥2小时，得到表面光亮的钛箔片。
(2)将上面所述钛箔片放入到容积为20毫升的反应釜中，同时，同时加入15质量份的甲苯，1质量份的钛酸正丁酯，1质量份的浓盐酸(质量分数为37％)，在180℃下反应4小时；然后将合成的样品用无水乙醇冲洗干净，再在60℃下烘干24小时，得到用于锂离子电池的单晶结构的金红石型二氧化钛纳米棒负极材料。
实施例5
(1)将2质量份的钛箔进行抛光处理，用丙酮超声20分钟、异丙醇超声20分钟、甲醇超声20分钟，然后用无水乙醇冲洗，再在氮气流中干燥2小时，得到表面光亮的钛箔片。
(2)将上述钛箔片放入到容积为20毫升的反应釜中，同时加入20质量份的甲苯，1质量份的钛酸正丁酯，2质量份的浓盐酸(质量分数为37％)，在150℃下反应4小时；然后将合成的样品用无水乙醇冲洗干净，再在70℃下烘干12小时，得到用于锂离子电池的单晶结构的金红石型二氧化钛纳米棒负极材料。
实施例6
(1)将1质量份的钛箔进行抛光处理，用丙酮超声20分钟、异丙醇超声30分钟、甲醇超声30分钟，然后用无水乙醇冲洗，再在氮气流中干燥2小时，得到表面光亮的钛箔片。
(2)将上述钛箔片放入到容积为20毫升的反应釜中，同时加入10质量份的甲苯，1质量份的钛酸正丁酯，4质量份的浓盐酸(质量分数为37％)，在150℃下反应8小时；然后将合成的样品用无水乙醇冲洗干净，再在60℃下烘干24小时，得到用于锂离子电池的单晶结构的金红石型二氧化钛纳米棒负极材料。
实施例7
(1)将1质量份的钛箔进行抛光处理，用丙酮超声30分钟、异丙醇超声30分钟、甲醇超声30分钟，然后用无水乙醇冲洗，再在氮气流中干燥2小时，得到表面光亮的钛箔片。
(2)将上述钛箔片放入到容积为20毫升的反应釜中，同时加入10质量份的甲苯，1质量份的钛酸正丁酯，4质量份的浓盐酸(质量分数为37％)，在200℃下反应6小时；然后将合成的样品用无水乙醇冲洗干净，再在70℃下烘干24小时，得到用于锂离子电池的单晶结构的金红石型二氧化钛纳米棒负极材料。
性能测试实验
(1)图1：将实施例1金红石型二氧化钛纳米棒，进行X射线衍射测试，扫描速度是4度每分，从20扫到80度。
由图1可见，制备得到的二氧化钛纳米棒以金红石晶型结构存在。
(2)图2(a)和(b)：将实施例1金红石型二氧化钛纳米棒涂敷在导电胶上，进行扫描电镜分析。
由图2(a)和(b)可见，合成的金红石型二氧化钛纳米棒，直径大小约在120nm左右，长度大约在5um左右。
(3)图3(a)和(b)：将实施例1金红石型二氧化钛纳米棒，分散在无水乙醇中，超声分散10～20min，进行透射电镜分析。
由图3(a)和(b)，合成的金红石型二氧化钛纳米棒是沿着(001)晶面方向生长，同时是以单晶结构存在。
(4)图4：将实施例1金红石型二氧化钛纳米棒分散在无水乙醇中，超声分散10～20min，进行能谱分析。
由图4可以看出合成的样品的主要成分是二氧化钛。
(5)分别以实施例1制备的单晶结构金红石型二氧化钛纳米棒为工作电极，锂片为对电极，Celgard 2400为隔膜，以1mol/L LiPF6 inEC∶DMC∶DEC(1∶1∶1体积比)为电解液，制备成扣式电池。在0.01～2.5V和1～2.5V电位区间和电流密度从16.8mAg-1到84mAg-1之间进行充放电性能测试，测试结果如图5和图6所示。由图5可见，本实施例的金红石型二氧化钛纳米棒在0.01～2.5V，在相同的电流密度下前三圈得到的充放电容量比在1～2.5V电位区间高。
由图6可见，与在1～2.5V电位区间相比，本实施例的金红石型二氧化钛纳米棒在0.01～2.5V具有较好的倍率性能和循环性能。可能是由于低电位下乙炔增大了活性物金红石型二氧化钛纳米棒的有效反应面积。

Claims (4)

1.一种动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)将1～2质量份的钛箔进行抛光处理和超声处理，然后冲洗、干燥，得到表面光亮的钛箔片；
(2)将所述钛箔片放入反应釜，加入10～20质量份的甲苯、1～4质量份的钛酸正丁酯、1～4质量份的浓盐酸(质量分数为37％)，然后在150～200℃下反应4～8小时，再冲洗、烘干，得到动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料。
2.根据权利要求1所述的动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述超声处理是用丙酮超声20～30分钟、异丙醇超声20～30分钟、甲醇超声20～30分钟；所述冲洗是采用无水乙醇；所述干燥是在氮气流中干燥1～2小时。
3.根据权利要求1所述的动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述冲洗是采用无水乙醇；所述烘干是在60～70℃下烘干12～24小时。
4.一种动力锂离子电池二氧化钛纳米棒负极材料，其特征在于：采用权利要求1～3任一项所述方法制备得到。
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