CN103887486A - 一种TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物及其制备方法,其中:纳米复合物为超细短棒状结构,由锐钛矿相二氧化钛、二氧化锡和碳构成,所述短棒状纳米复合物直径为0.5-5nm,长度为5-20nm。所述制备方法包括如下制备步骤:A、原料配制;B、水解转化;C、沉淀收集;D、煅烧,最终得到纳米复合物。原料简单易得,工艺简单易行,避开了其他合成技术中繁琐的处理步骤和对设备的高要求,成本低,在实际生产中具有极大的经济和社会效益。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池负极材料技术领域,涉及一种TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物及其制备方法。
背景技术
商业化碳材料比容量低,新的高比容量锂离子电池对负极材料比容量提出了更高的要求。金属氧化物作为锂离子电池负极材料中的翘楚,因其明显的比容量优势,近十年来一直是广大负极材料研究者重点关注的内容。
SnO2理论储锂比容量接近700mAh/g,几乎是商业化碳材料比容量的两倍,而且具有比四氧化三钴(理论比容量-890 mAh/g)更低的嵌脱锂电位,因而吸引了广泛的研究。但是同几乎所有的高理论比容量负极材料一样,SnO2也存在嵌脱锂体积变化导致电极循环性能差的问题。而作为锂离子电池负极材料,研究表明,TiO2具有很高的稳定性,将其与SnO2结合能有效提高电极的循环稳定性,引入C能很好的提升材料的导电性等性能,通过配比调节也能兼顾高比容量优势;材料中存在的孔隙能为体积膨胀提供较大的缓冲空间,纳米化、特殊形貌能为电极性能带来较大的提升。
综合起来,超细短棒状复合结构将TiO2小单元以一定方式分散到SnO2大单元中作为第二相粒子,能有效分散体积变化引起的局部应力集中,而避免了由此导致的电极粉碎;引入的分散C不仅能像TiO2一样缓解应力集中,还能提高电极的导电性等性能。超细的结构符合纳米化的要求,也能分化体积膨胀,较大地缓解局部应力集中,同时增大了表面积,提供了更多的嵌锂活性位置,缩短了锂离子迁移路程。短棒状形状能在材料中形成较多的孔隙,进一步为体积膨胀提供缓冲空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种性能优良的锂离子电池负极材料:一种TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物,以及该纳米复合物的制备方法。
本发明通过以下技术方案实现:
一种TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物,所述的纳米复合物为超细短棒状结构,由锐钛矿相二氧化钛、二氧化锡和碳构成。
所述短棒状纳米复合物直径为0.5-5nm,长度为5-20nm。
所述制备方法包括如下制备步骤:
A、原料配制:将钛酸纳米管粉末分散到SnCl4·5H2O溶液中,超声20-30 min后,再搅拌30-60 min,接着滴加二甲胺水溶液,然后加入柠檬酸溶液,继续搅拌8-10 h配制成悬浊液;
B、水解转化:将步骤A所得到的悬浊液转移到反应釜中,密封好,在180-200 ℃保温10-20 h,冷却;
C、沉淀收集:过滤沉淀,用去离子水和乙醇洗涤2-20次,然后在60-100 ℃干燥;
D、煅烧:将上述产物在400-600 ℃的氮气气氛中煅烧3-6h,得到最终产物TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物。
所述钛酸纳米管与SnCl4·5H2O用量为摩尔比Sn:Ti =3-7。
所述二甲胺水溶液浓度为20-50wt%;所述二甲胺水溶液的加入量以悬浊液的含水量为基础,按照体积比1:20-50加入。
所述SnCl4·5H2O溶液中溶剂H2O的用量为:H2O:SnCl4·5H2O=5-20mL:1g。
所述搅拌为磁力搅拌,所述反应釜为水热反应釜,水热反应釜装料比为25%-35%。
所述原料为钛酸纳米管、柠檬酸,SnCl4·5H2O作前驱体,二甲胺作塑形剂,通过TiO2和SnO2的共生成和柠檬酸碳化制备TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物。
所述柠檬酸溶液的溶剂为乙二醇。
柠檬酸-乙二醇溶液浓度为1-3 g/5 ml,用量为5-10ml。
本发明的优点在于:
1、原料简单易得,工艺简单易行,避开了其他合成技术中繁琐的处理步骤和对设备的高要求,成本低;
2、反应操作简单,煅烧温度低;
3、利用二甲胺对TiO2具有塑形作用,经过研究证明,TiO2的晶面容易吸附二甲胺,使得TiO2在生长过程中倾向于暴露(101)面,择优沿着轴生长;
4、通过本方法制备的TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物形状为超细短棒状,XRD、EDX综合显示所制备纳米复合物兼有C、TiO2、SnO2相,SnO2相占主导;XRD显示样品结晶性能好;SEM显示样品具有均匀孔隙结构;TEM显示样品为超细短棒状结构,HRTEM显示产物为SnO2相占主导的复合纳米晶结构;电化学性能测试结果显示超细短棒状TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物作为锂离子电池负极材料性能优良,大大优于单纯的SnO2纳米粒子。
附图说明:
图1是TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的XRD图样;
图2是TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的EDX(a), SEM(b)图;
图3是TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的TEM(a,b),HRTEM(c);
图4是TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的CVs曲线图(扫描速度为0.2 mV/s);
图5是TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物电极和SnO2纳米粒子电极的循环性能曲线图;
图6是TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物电极和SnO2纳米粒子电极的倍率性能曲线图;
图7是TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物电极和SnO2纳米粒子电极的循环库伦效率曲线图。
具体实施方式
以下实施例进一步详细的说明本发明,但本发明并不局限于这种实施例。
实施例1、
A、原料配制:将钛酸纳米管粉末分散到SnCl4·5H2O溶液(SnCl4·5H2O:H2O=3g:30mL,Sn:Ti摩尔比为4.6)中,细胞粉碎机中超声30 min后,再磁力搅拌30 min,然后滴加1mL二甲胺水溶液,然后加入5ml柠檬酸-乙二醇溶液(2 g/5 ml)继续搅拌8 h配制成乳白色的悬浊液。
B、水解转化:将步骤A所得到的悬浊液转移到100mL不锈钢水热反应釜中,密封好,在180℃保温12 h,自然冷却。
C、沉淀收集:过滤沉淀,用去离子水和乙醇洗涤5次,然后在80 ℃干燥。
D、煅烧:将上述产物在500℃的氮气气氛中煅烧4h,得到最终产物TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物。
实施例2
A、原料配制:将钛酸纳米管粉末分散到SnCl4·5H2O溶液(SnCl4·5H2O:H2O=3g:15mL,Sn:Ti摩尔比为3)中,超声20 min后,再磁力搅拌30 min,然后滴加1mL二甲胺水溶液,然后加入10ml柠檬酸-乙二醇溶液(1g/5 ml)继续搅拌10 h配制成乳白色的悬浊液。
B、水解转化:将步骤A所得到的悬浊液转移到100mL不锈钢水热反应釜中,密封好,在180℃保温12 h,自然冷却。
C、沉淀收集:过滤沉淀,用去离子水和乙醇洗涤3次,然后在80 ℃干燥。
D、煅烧:将上述产物在500℃的氮气气氛中煅烧4h,得到最终产物TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物。
实施例3
A、原料配制:将钛酸纳米管粉末分散到SnCl4·5H2O溶液(SnCl4·5H2O:H2O=3g:60mL,Sn:Ti摩尔比为7)中,细胞粉碎机中超声30 min后,再磁力搅拌30 min,然后滴加2mL二甲胺水溶液,然后加入8ml柠檬酸-乙二醇溶液(3g/5 ml)继续搅拌10 h配制成乳白色的悬浊液。
B、水解转化:将步骤A所得到的悬浊液转移到100mL不锈钢水热反应釜中,密封好,在180℃保温12 h,自然冷却。
C、沉淀收集:过滤沉淀,用去离子水和乙醇洗涤8次,然后在80 ℃干燥。
D、煅烧:将上述产物在500℃的氮气气氛中煅烧4h,得到最终产物TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物。
以上所述是仅为了本领域技术人员理解本发明所列举的具体实施例,并非用来限制本发明所要求保护的范围。故凡以本发明权利要求所述的特征、结构及原理所做的等效变化或修饰,均应包括在本发明权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物,其特征在于:所述的纳米复合物为超细短棒状结构,由锐钛矿相二氧化钛、二氧化锡和碳构成。
2.根据权利要求1所述的一种TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物,其特征在于:所述短棒状纳米复合物直径为0.5-5nm,长度为5-20nm。
3.一种TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的制备方法,其特征在于:所述制备方法包括如下制备步骤:
A、原料配制:将钛酸纳米管粉末分散到SnCl4·5H2O溶液中,超声20-30 min后,再搅拌30-60 min,接着滴加二甲胺水溶液,然后加入柠檬酸溶液,继续搅拌8-10 h配制成悬浊液;
B、水解转化:将步骤A所得到的悬浊液转移到反应釜中,密封好,在180-200 ℃保温10-20 h,冷却;
C、沉淀收集:过滤沉淀,用去离子水和乙醇洗涤2-20次,然后在60-100 ℃干燥;
D、煅烧:将上述产物在400-600 ℃的氮气气氛中煅烧3-6h,得到最终产物:权利要求1或2所述的TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物。
4.根据权利要求3所述的TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的制备方法,其特征在于:所述钛酸纳米管与SnCl4·5H2O用量为摩尔比Sn:Ti =3-7。
5.根据权利要求3所述的TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的制备方法,其特征在于:所述二甲胺水溶液浓度为20-50wt%;所述二甲胺水溶液的加入量以悬浊液的含水量为基础,按照体积比1:20-50加入。
6.根据权利要求3所述的TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的制备方法,其特征在于:所述SnCl4·5H2O溶液中溶剂H2O的用量为:H2O:SnCl4·5H2O=5-20mL:1g。
7.根据权利要求3所述的TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的制备方法,其特征在于:所述搅拌为磁力搅拌,所述反应釜为水热反应釜,水热反应釜装料比为25%-35%。
8.根据权利要求3所述的TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的制备方法,其特征在于:所述原料为钛酸纳米管、柠檬酸,SnCl4·5H2O作前驱体,二甲胺作塑形剂,通过TiO2和SnO2的共生成和柠檬酸碳化制备TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物。
9.根据权利要求3所述的TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的制备方法,其特征在于:所述柠檬酸溶液的溶剂为乙二醇。
10. 根据权利要求3所述的TiO2/SnO2/Carbon纳米复合物的制备方法,其特征在于:柠檬酸-乙二醇溶液浓度为1-3 g/5 ml,用量为5-10ml。
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