CN103531762A - 一种异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，首先选用一定的钛源和掺杂金属盐共同溶解在醇溶液中。然后加入一定量的弱碱氨水，得到白色沉淀物，进行洗涤干燥后，转移至反应釜，通过控制反应温度和时间，得到掺杂二氧化钛纳米管。本发明制备的掺杂二氧化钛纳米管，成本较低方法简单，应用于锂离子电池能够缩短锂离子的传输路径，有效改善锂电池的倍率性能，增大电池的循环容量保持率。

Description

一种异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法
技术领域
本发明属于材料化学锂离子电池领域，具体涉及一种应用于锂离子电池的异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法。
背景技术
钛的金属氧化无的体积膨胀率小，相对于石墨负极的放电平台较高，可以避免进金属锂的析出，是一种安全性好低压电池材料。由于其良好的脱嵌锂性能，不同形貌二氧化钛的纳米材料引起了广泛关注。而且一维氧化钛的纳米结构比表面积大表面缺陷丰富，在空间是上缩短锂离子的电化学脱嵌锂过程中扩散路径，能够有利于实现电池的快充快放。
为提高材料的离子电导率，金属离子掺杂使一种简便有效的方法。利用化学或机械方法，将不同化合价的金属离子引入到TiO2的晶格内，在晶格中形成缺陷或者引入新的电荷或者改变晶格类型，都能形成P型或n型半导体，最终改变锂离子在TiO2中的扩散阻力。
例如Zn掺杂的介孔TiO2(J.Mater.Chem.2012，22，17625-17629)，纳米颗粒形成导电网络，增大施主密度，电子电导率提升，明显改善电池的倍率性能，提高电池的1C循环稳定性；利用银镜反应制备Ag掺杂的二氧化钛纳米管（Electrochem.Commun.2007，9，425-430），Ag离子改善TiO2纳米管的表面电子电导率，减小首周不可逆容量，有效降低电池的极化，也表现出良好的循环性能和高倍率性能。Sn离子掺杂的TiO2纳米颗粒（Chem.Mater.2006，18，1401-1406），不仅影响粒径的大小，同时Sn离子的进入，使晶格发生一定的膨胀，拓宽锂离子和电解液的通道，减小脱嵌锂的阻力。颗粒的尺寸对锂离子电池的性能影响占主导作用。然而现有的研究中主要是高成本的二氧化钛P25粉，制备合成纯相的TiO2纳米管结构，水热时间长，消耗较多的能源，对于鲜有关于钛的酯类化合物和掺杂原料一锅沉淀-水热制备纳米管，提高锂离子电池的负极倍率和循环性能的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以钛酸四正丁酯或四氯化钛和硝酸铁、醋酸锌为原料，以碱溶液沉淀剂，通过加入不同比例的原料和调节反应温度反应时间，制备出掺杂二氧化钛的纳米管，并将其应用于锂离子电池的负极材料。
本发明提供了一种异价金属盐掺杂纳米二氧化钛纳米管的制备方法，及使用该材料作为锂离子电池的负极材料。在不同的反应温度下，直接用廉价的钛酸四正丁酯或四氯化钛作为钛源，通过改变加入掺杂离子的种类和量，改变所用碱溶液的浓度，反应时间、温度，实现掺杂纳米二氧化钛纳米管的合成。
一种异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，具体方案如下：
（1）将钛源与待掺杂的金属盐，在醇溶剂中溶解混合均匀。所述的钛源为钛酸四正丁酯、四氯化钛中的一种。所述金属盐为Fe(NO3)3、Zn(Ac)2、La(Ac)3中的一种。所述的金属盐与钛源的摩尔比为2.7～11%。
所述的金属离子的掺杂量占的摩尔比最佳比例为3～6%，因为掺杂的量太少，对改良的效果不明显；如果掺杂离子的量太多，容易造成金属氧化物杂质的会出现，造成电池性能的衰减。
所述醇溶剂为异丙醇、甲醇、乙醇、乙二醇等溶剂，醇溶剂的量为钛源体积的3～5倍。
（2）将一定浓度的碱溶液作为沉淀剂加入到上述混合溶液中，制得二氧化钛的纳米级材料。所述的碱溶液为体积分数5%的氨水或尿素溶液，加入的碱溶液的体积为100mL。
（3）将沉淀物离心分离，白色沉淀物用醇溶剂冲洗数次。
（4）将步骤（3）中的沉淀物，加入体积为60mL的8～10M NaOH溶液。
（5）将步骤（4）的悬浊液，搅拌0.5～1h，使其均匀分散。
（6）将步骤（5）中液体在反应釜中密封，在100～250℃下反应10～32h。
（7）将上述反应产物减压抽滤后，用乙醇和水反复洗涤，真空干燥。
（8）将步骤（7）中得到的粉末在300～500℃下，煅烧时以2～8℃升高温度，保温2～4h，得到金属离子掺杂的二氧化钛纳米管。
本发明的有益效果是，本发明所述的金属掺杂二氧化钛纳米管的制备方法，其特点是利用成本较低的钛酸四正丁酯或四氯化钛，钛源和掺杂金属盐溶液一锅共沉淀，制备纳米级二氧化钛；利用弱碱作为沉淀剂有助于在水热过程中增大反应釜内压力无需另外加入低沸点溶剂；反应制备出小直径二氧化钛纳米管比表面积高；粉体的粒径小。
掺杂后的纳米管作为锂离子电池的负极活性物质，掺杂离子在二氧化钛内部形成n-型或者p-半导体，增大电子导电率，显著提高电池的首周容量，首周达到，循环稳定性好，表现出优越的倍率放电容量。
电池电极片的组成：负极膜片以二氧化钛的纳米级粉末、纳米线、纳米管的一种或者混合物，作为活性物质，加入一定比例的导电剂乙炔黑及粘结剂聚偏氟乙烯（PVDF）。活性物质的质量占80%，导电剂乙炔黑及粘结剂质量各占10%。
测试电池的制备方法：在按照设定比例混合的活性物质、导电剂、粘结剂中加入一定的分散剂N-甲基吡咯烷酮(NMP)组成浆料，浆料搅拌12h混合完全。然后，在湿度较小的环境中涂布在导电集流体铜箔上，在120℃真空干燥10h。冲片，在氩气保护气氛下手套箱中组装扣式电池。电解液采用1mol/LiPF6的EC:DMC(1:1)混合溶液，隔膜为Celgard2400。
附图说明
图1是本发明制备的样品的X射线衍射图；其中曲线a、b、c、d分别是对比例1二氧化钛纳米粉、实施例1和2掺杂金属离子二氧化钛纳米棒、实施例3掺杂金属离子二氧化钛纳米管的X射线衍射图。其中，Intensity：强度；2θ：扫描角度。
图2是对比例1制备的样品的扫描电镜图。
图3是实施例2制备的样品的扫描电镜图。
图4实施例3透射电镜图。
图5是对比例1制备的样品应用于锂离子电池在0-3V，1C测试条件下的容量循环图。
图6是实施例1制备的样品应用于锂离子电池在0-3V，1C测试条件下的容量循环图。
图7是实施例2制备的样品应用于锂离子电池在0-3V，1C测试条件下的容量循环图。
图8是实施例3制备的样品应用于锂离子电池在0-3V，1C测试条件下的容量循环图。
图9是本发明制备的样品应用于锂离子电池的倍率容量图，其中曲线1代表实施例2，曲线2代表实施例1，曲线3代表对比例1，曲线4代表实施例3。
图5-图9中，Cycle Number：循环次数；Specific Capacity：比容量。
具体实施方式
通过下面的实施例和对比例进一步说明本发明的技术方案，但是本申请的保护范围不受这些实施例的具体条件的限制。
对比例1：
15mL钛酸四正丁酯分散在30mL无水乙醇中，将溶液转移至大烧杯中边搅拌边加入质量分数为3%～9%的氨水溶液100mL。继续搅拌1～2h，得到白色悬浊液，离心得到白色沉淀。用无水乙醇将白色沉淀洗涤数次，在70～100℃真空干燥2～3h。当温度降低室温后，取出研磨30min。然后将白色粉末在500℃马弗炉内煅烧2～4h，降至室温得到二氧化钛的纳米级粉体颗粒。
利用本发明制备的二氧化钛纳米粉制作锂离子电池的负极材料活性物质时，对金属锂片组装扣式电池，所述隔膜为Celgard2400。
制作负极时，以N-甲基吡咯烷酮为溶剂，活性物质为本发明制备的TiO2纳米粉，导电剂为乙炔黑，粘结剂为PVDF。活性物质的量为物质的量总数的80%，导电剂和粘结剂各占10%，搅拌配成浆料，涂布在集流体Cu箔上，经干燥冲压在充满Ar气的手套箱内组装，其中电解液为1mol/L LiPF6的EC:DMC(1:1)混合溶液。
实施例1：
将0.6g Fe(NO3)3溶解在35mL无水乙醇中，再将10mL四氯化钛加入到上述盐溶液中，搅拌30min混合均匀。然后边搅拌边向溶液中加入质量分数为3～6%氨水溶液100mL，得到浅黄色悬浊液，继续搅拌2.5h。将浅黄色悬浊液，离心分离后的浅黄色沉淀用无水乙醇清洗数次，然后再70℃下真空干燥2.5h。
将称取干燥后的粉末状固体0.6g，加入到60mL浓度为9mol的NaOH溶液中，然后磁力搅拌30min，将混合溶液转移至反应釜中。密封后的反应釜，放入烘箱，升温到150℃，保温24h。当反应釜温度降低到室温后，倒掉上清液，将底部的浅黄色沉淀边超声边用去离子水清洗，直至洗涤液的pH值接近7。然后加入0.1mol/L的HCl溶液中浸泡，静置时间为12h，使H+尽可能的将Na+离子交换出来。然后再进一步的用去离子水清洗至溶液的pH到7，85℃真空干燥。然后将白色粉末在450℃马弗炉内煅烧3h，降至室温得到Fe掺杂的二氧化钛纳米线。本实施例中，利用Fe掺杂二氧化钛纳米线制作锂离子电池的方法步骤和其他所需材料与对比对比例1相同。
实施例2：
将0.55g醋酸锌溶解在40mL无水乙醇中，再将11mL四氯化钛加入到上述盐溶液中，搅拌30min混合均匀。然后边搅拌边向溶液中加入质量分数为5～7%氨水溶液，得到浅蓝色悬浊液，继续搅拌2.5h。将蓝色悬浊液，离心分离后的白色沉淀用无水乙醇清洗数次，然后再70℃下真空干燥2.5h。
将称取干燥后的粉末状固体0.6g，加入到60mL浓度为10mol/L的NaOH溶液中，然后磁力搅拌40min，将混合溶液转移至反应釜中。密封后的反应釜，放入烘箱，升温到135℃，保温72h。当反应釜温度降低到室温后，倒掉上清液，将底部的浅蓝色沉淀边超声边用去离子水清洗，直至洗涤液的pH值接近7。然后加入0.1mol/L的HCl溶液中浸泡，静置时间为12h，使H+尽可能的将Na+离子交换出来。然后再进一步的用去离子水清洗至溶液的pH到7，85℃真空干燥。将干燥后的粉末在300℃间马弗炉内煅烧2h，降至室温即得到Zn掺杂的二氧化钛纳米管。
本实施例中，利用Zn掺杂二氧化钛纳米管制作锂离子电池的方法步骤和其他所需材料与对比例1相同。
实施例3：
将1.0g醋酸镧溶解在50mL无水乙醇中，再将10mL钛酸四正丁酯加入到上述盐溶液中，搅拌30min混合均匀。然后边搅拌边向溶液中加入质量分数5～7%氨水溶液，得到白色悬浊液，继续搅拌2.5h。将白色悬浊液，离心分离后的白色沉淀用无水乙醇清洗数次，然后再70℃下真空干燥2.5h。
将称取干燥后的粉末状固体0.8g，加入到80mL浓度为11mol的NaOH溶液中，然后磁力搅拌30min，将混合溶液转移至反应釜中。密封后的反应釜，放入烘箱，升温到120℃，保温72h。当反应釜温度降低到室温后，倒掉上清液，将底部的白色沉淀边超声边用去离子水清洗，直至洗涤液的pH值接近7。然后加入0.1mol/L的HCl溶液中浸泡，静置时间为12h，使H+尽可能的将Na+离子交换出来。然后再进一步的用去离子水清洗至溶液的pH到7，85℃真空干燥。将白色粉末在350℃马弗炉内煅烧2h，降至室温，得到La掺杂的二氧化钛纳米管。
由图3可见掺杂的二氧化钛纳米管的直径较小，径向长度达100～200nm。
本实施例中，利用La掺杂二氧化钛纳米管制作锂离子电池的方法步骤和其他所需材料与对比例1相同。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，其特征是，具体方案如下：
（1）将钛源与待掺杂的金属盐，在醇溶剂中溶解混合均匀；所述的钛源为钛酸四正丁酯、四氯化钛中的一种；所述金属盐为Fe(NO3)3、Zn(Ac)2、La(Ac)3中的一种；所述的金属盐与钛源的摩尔比为0.027～0.11；所述醇溶剂为异丙醇、甲醇、乙醇、乙二醇等溶剂，醇溶剂的量为钛源体积的3～5倍；
（2）将一定浓度的碱溶液作为沉淀剂加入到上述混合溶液中，制得二氧化钛的纳米级材料；
（3）将步骤（2）得到沉淀物离心分离，并用醇溶剂冲洗数次；
（4）将步骤（3）中的沉淀物，加入NaOH溶液，得到悬浊液；
（5）将步骤（4）的悬浊液搅拌，使其均匀分散；
（6）将步骤（5）中得到的液体密封反应；
（7）将上述反应产物减压抽滤后，用乙醇和水洗涤，真空干燥；
（8）将步骤（7）中得到的粉末煅烧，保温，得到金属离子掺杂的二氧化钛纳米管。
2.如权利要求1所述的异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，其特征是，所述金属盐与钛源的摩尔比为0.03～0.06。
3.如权利要求1所述的异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，其特征是，所述步骤（2）的碱溶液为体积分数5%的氨水或尿素溶液。
4.如权利要求1所述的异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，其特征是，所述步骤（4）中的NaOH溶液为8～10M的NaOH溶液。
5.如权利要求1所述的异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，其特征是，所述步骤（5）中搅拌0.5～1h。
6.如权利要求1所述的异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，其特征是，所述步骤（6）在100～250℃下密封反应10～32h。
7.如权利要求1所述的异价金属盐掺杂的二氧化钛纳米管的制备方法，其特征是，所述步骤（8），将步骤（7）中得到的粉末在300～500℃下，煅烧时以2～8℃升高温度，保温2～4h，得到金属离子掺杂的二氧化钛纳米管。
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