CN102336435B - 多孔金红石TiO2介晶及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了多孔金红石TiO2介晶及其制备方法和应用，该多孔金红石TiO2介晶是八面体状或纳米棒状中的一种或两种的混合物；八面体状介晶的粒径为100-300nm；纳米棒状介晶的长度为250-400nm,直径为60-100nm。本发明首次将纳米多孔金红石TiO2介晶作为锂离子阳极材料应用于锂离子电池中，表现出较高的比容量和良好的循环稳定性。电流密度为1C的情况下，首次放电比容量高达312mAhg-1，经过100次循环后，其比容量仍可达155mAhg-1。该方法操作简便、成本低、纯度高，可以大量合成。

Description

多孔金红石TiO2介晶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于电池材料学领域，更具体涉及一种多孔金红石TiO2介晶及其制备方法和应用。 
背景技术
锂离子电池具有高电压、高容量、循环寿命长等显著优势，当前已广泛应用于移动电子设备、国防工业、电动汽车等领域。由于能源和环境保护的需要，电动汽车已成为当前新能源领域中最受关注的行业。因而，开发高性能的锂离子动力电池已成为近年来最热门的研究领域之一。当前，尖晶石锰酸锂、磷酸铁锂等动力电池正极材料已被广泛的研究并取得了较大的进展。然而，目前商业化的负极材料主要是石墨，石墨在充放电过程中表面可能引起金属锂的沉积，存在一定的安全隐患。因而开发具有快速充放电能力、循环性良好、比容量高的非碳负极材料具有十分重要的意义。钛基氧化物以其原料丰富、无毒无害、循环稳定性好和安全性好等优点，成为近年来人们较为广泛的关注的负极材料。 
目前还未有可控合成不同形貌多孔金红石TiO2介晶及其在锂电池中的应用的相关专利报道。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔金红石TiO2介晶及其制备方法和应用，这是首次将纳米多孔金红石TiO2介晶作为锂离子阳极材料应用于锂离子电池中，而且多孔金红石TiO2介晶的制备方法操作简便、成本低、纯度高，可以大量合成。 
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 
本发明的多孔金红石TiO2介晶是八面体状或纳米棒状中的一种或两种的混合物；八面体状介晶的粒径为100-300nm；纳米棒状介晶的长度为250-400nm, 直径为60-100nm。
多孔金红石TiO2介晶的制备方法的具体步骤如下： 
（1）将0.5-1.5克二氧化钛粉末和40-50毫升氢氧化钾溶液混合，在160 ℃-200 ℃反应48-96h；
（2）过滤、滤渣用稀硝酸洗涤、60℃干燥12h得预处理产物；
（3）取0.1-0.5克干燥后的预处理产物和0.5-2.0g 表面活性剂十六烷基苯磺酸钠一同分散于40-100 mL稀硝酸中磁力搅拌5-15 天，再经离心干燥即得所述的多孔金红石TiO2介晶。
步骤（1）中所述的氢氧化钾溶液的浓度为10-20mol/L，二氧化钛粉末的粒径是15-25 nm；步骤（2）中所述的稀硝酸的浓度为0.1 mol/L；步骤（3）中所述的稀硝酸的浓度为1-3 mol/L。 
当表面活性剂十六烷基苯磺酸钠用量X在0.5≤X<0.8g时得到纳米棒状的TiO2介晶，当表面活性剂十六烷基苯磺酸钠用量X在1.0<X≤2.0g时得到八面体状TiO2介晶, 当表面活性剂十六烷基苯磺酸钠用量X在0.8≤X≤1.0g时得到八面体状TiO2介晶和纳米棒状的TiO2介晶的混合物。 
多孔金红石TiO2介晶的应用：将多孔金红石TiO2介晶应用在锂电池中，按多孔金红石TiO2介晶：聚偏氟乙烯：乙炔黑的质量比＝70-75：5-10：15-20混合研磨后均匀地涂在0.25 cm2的铜片上做正极，负极为金属锂，电解质是1M LiClO4的EC+DEC+EMC (EC/DEC/EMC=1/1/1v/v/v) 溶液。用此纳米多孔金红石TiO2介晶作为锂电池阳极材料，结果表明其具有较高的比容量、良好的循环稳定性。电流密度为1C的情况下，首次放电比容量高达312 mAhg-1，经过100次循环后，其比容量仍可达155 mAhg-1。 
本发明的显著优点在于： 
（1）本发明首次提供了可控合成出不同形貌多孔金红石TiO2介晶的制备方法，其操作简便、成本低、纯度高、性能优异，可以大量合成。
（2）本发明首次将纳米多孔金红石TiO2介晶作为锂离子阳极材料应用于锂离子电池中，表现出较高的比容量和良好的循环稳定性。电流密度为1C的情况下，首次放电比容量高达312 mAhg-1，经过100次循环后，其比容量仍可达155 mAhg-1。 
附图说明
图1 (a)纳米棒状金红石TiO2介晶透射电镜图； (b)八面体金红石TiO2介晶透射电镜图； 
图2 金红石TiO2介晶的充放电测试。
具体实施方式
本发明的多孔金红石TiO2介晶是八面体状或纳米棒状中的一种或两种的混合物；八面体状介晶的粒径为100-300nm；纳米棒状介晶的长度为250-400nm, 直径为60-100nm。 
多孔金红石TiO2介晶的制备方法的具体步骤如下： 
（1）将0.5-1.5克二氧化钛粉末和40-50毫升氢氧化钾溶液混合，在160 ℃-200 ℃反应48-96h；
（2）过滤、滤渣用稀硝酸洗涤、60℃干燥12h得预处理产物；
（3）取0.1-0.5克干燥后的预处理产物和0.5-2.0g 表面活性剂十六烷基苯磺酸钠一同分散于40-100 mL稀硝酸中磁力搅拌5-15 天，再经离心干燥即得所述的多孔金红石TiO2介晶。
步骤（1）中所述的氢氧化钾溶液的浓度为10-20mol/L，二氧化钛粉末的粒径是15-25 nm；步骤（2）中所述的稀硝酸的浓度为0.1 mol/L；步骤（3）中所述的稀硝酸的浓度为1-3 mol/L。 
当表面活性剂十六烷基苯磺酸钠用量X在0.5≤X<0.8g时得到纳米棒状的TiO2介晶，当表面活性剂十六烷基苯磺酸钠用量X在1.0<X≤2.0g时得到八面体状TiO2介晶, 当表面活性剂十六烷基苯磺酸钠用量X在0.8≤X≤1.0g时得到八面体状TiO2介晶和纳米棒状的TiO2介晶的混合物。 
多孔金红石TiO2介晶的应用：将多孔金红石TiO2介晶应用在锂电池中，按多孔金红石TiO2介晶：聚偏氟乙烯：乙炔黑的质量比＝70-75：5-10：15-20混合研磨后均匀地涂在0.25 cm2的铜片上做正极，负极为金属锂，电解质是1M LiClO4的EC+DEC+EMC (EC/DEC/EMC=1/1/1v/v/v) 溶液。用此纳米多孔金红石TiO2介晶作为锂电池阳极材料，结果表明其具有较高的比容量、良好的循环稳定性。电流密度为1C的情况下，首次放电比容量高达312 mAhg-1，经过100次循环后，其比容量仍可达155 mAhg-1。 
实施例1
多孔金红石TiO2介晶的制备方法的具体步骤如下：
（1）将0.5克二氧化钛粉末（粒径15nm）和40毫升10mol/L氢氧化钾溶液混合，在160 ℃反应48h；
（2）过滤、滤渣用0.1 mol/L稀硝酸洗涤、60℃干燥12h得预处理产物；
（3）取0.1克干燥后的预处理产物和0.5g 表面活性剂十六烷基苯磺酸钠一同分散于40mL 1mol/L稀硝酸中磁力搅拌5天，再经离心干燥即得纳米棒状的多孔金红石TiO2介晶。
实施例2
多孔金红石TiO2介晶的制备方法的具体步骤如下：
（1）将1.0克二氧化钛粉末（粒径20 nm）和45毫升15mol/L氢氧化钾溶液混合，在180℃反应72h；
（2）过滤、滤渣用0.1 mol/L稀硝酸洗涤、60℃干燥12h得预处理产物；
（3）取0.3克干燥后的预处理产物和0.9g 表面活性剂十六烷基苯磺酸钠一同分散于70 mL 2mol/L稀硝酸中磁力搅拌10 天，再经离心干燥即得八面体状TiO2介晶和纳米棒状的TiO2介晶的混合物。
实施例3
多孔金红石TiO2介晶的制备方法的具体步骤如下：
（1）将1.5克二氧化钛粉末（粒径25nm）和50毫升20mol/L氢氧化钾溶液混合，在200 ℃反应96h；
（2）过滤、滤渣用0.1 mol/L稀硝酸洗涤、60℃干燥12h得预处理产物；
（3）取0.5克干燥后的预处理产物和2.0g 表面活性剂十六烷基苯磺酸钠一同分散于100 mL 3 mol/L稀硝酸中磁力搅拌15 天，再经离心干燥即得八面体状的多孔金红石TiO2介晶。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。 

Claims (3)

1.一种多孔金红石TiO2介晶的制备方法，其特征在于：所述的多孔金红石TiO2介晶是八面体状或纳米棒状中的一种或两种的混合物；八面体状介晶的粒径为100-300nm；纳米棒状介晶的长度为250-400nm, 直径为60-100nm；
制备方法的具体步骤如下：
（1）将0.5-1.5克二氧化钛粉末和40-50毫升氢氧化钾溶液混合，在160℃-200℃反应48-96h；
（2）过滤、滤渣用稀硝酸洗涤、60℃干燥12h得预处理产物；
（3）取0.1-0.5克干燥后的预处理产物和0.5-2.0g 表面活性剂十六烷基苯磺酸钠一同分散于40-100 mL稀硝酸中磁力搅拌5-15 天，再经离心干燥即得所述的多孔金红石TiO2介晶；
步骤（1）中所述的氢氧化钾溶液的浓度为10-20mol/L；
步骤（3）中所述的稀硝酸的浓度为1-3 mol/L。
2.根据权利要求1所述的多孔金红石TiO2介晶的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述的二氧化钛粉末的粒径是15-25 nm；步骤（2）中所述的稀硝酸的浓度为0.1 mol/L。
3.根据权利要求1所述的多孔金红石TiO2介晶的制备方法，其特征在于：当表面活性剂十六烷基苯磺酸钠用量X在0.5≤X<0.8g时得到纳米棒状的TiO2介晶，当表面活性剂十六烷基苯磺酸钠用量X在1.0<X≤2.0g时得到八面体状TiO2介晶, 当表面活性剂十六烷基苯磺酸钠用量X在0.8≤X≤1.0g时得到八面体状TiO2介晶和纳米棒状的TiO2介晶的混合物。
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