CN105977457A - 一种纳米TiO2/碳复合材料的制备与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于二氧化钛的复合材料技术领域,具体为一种TiO2/碳复合材料制备方法和应用。本发明以果皮(如柚子皮,橘子皮,香蕉皮等)和钛盐(如钛酸丁酯)为原料,将果皮切碎,浸渍在钛盐的乙醇溶液中1‑3小时,生成无定型的TiO2;将混合物在N2气氛下热处理2‑4小时,果皮中的有机成分该纳米TiO2/碳复合粉体材料均被碳化,同时,无定型的TiO2转变为锐钛矿晶型,从而一步得到纳米TiO2/碳复合粉体材料。该纳米TiO2/碳复合粉体材料具有良好的储锂活性,可用于锂离子电池负极材料。本发明方法,工艺简单,所有原料无毒无害,制备过程无废液产生,同时能够实现柚子等果皮有机废弃物的有效综合利用,变废为宝。
Description
技术领域
本发明属于二氧化钛的复合材料技术领域,具体涉及一种TiO2/碳复合材料的制备方法和应用。
背景技术
作为一种实用化的储能器件,锂离子电池具有高能量密度、使用寿命长、安全稳定、环境友好等特点,在移动设备、绿色交通以及能源存储等多个领域具有广泛的应用前景。电极负极材料是电池的重要组成部分,是决定电池的性能关键因素之一。
目前,商用的钛酸锂(Li4Ti5O12)负极材料,相比于传统石墨类材料具有更高的安全性,但是这类材料的实际比容量为160~170
mAg-1,较低的容量限制其进一步发展;同时,不断上涨的上游原材料(如碳酸锂)以及有限的锂储量,也是未来实用化过程中需要面临和解决的问题。而用于制备Li4Ti5O12的前驱体材料——二氧化钛(TiO2),具有无毒无害、储量丰富、价格低廉、化学结构稳定等特点,已广泛应用于光催化,太阳能电池以及锂离子电池等领域。
作为锂离子电池的负极材料,TiO2的理论容量为335
mAg-1,可以有效提高电池的实际容量;TiO2的脱嵌锂电位较高(1.5~1.8
V),可避免锂枝晶的生成,提升了电池的安全性;同时,TiO2的储锂机制为Li+的嵌入-脱出,不涉及合金化或氧化还原反应,在充放电过程中体积变化小(<4%),具有良好的循环稳定性,可以有效延长电池的使用寿命。因此,TiO2作为锂离子电池负极材料极具发展潜力与应用前景,
TiO2的电子传导率和离子扩散系数均较低,限制了TiO2作为负极材料的实际应用。近年来,采用碳纳米管、石墨烯等碳质材料复合的方法,制备具有高可逆比容量、优异循环性能以及良好倍率特性的锂离子电池TiO2负极材料是国内外研究的热点,本发明提出了一种利用有机废弃物制备TiO2/碳复合材料的简单方法,实验结果表明,所制备的复合材料具有良好的电化学特性,有望在锂离子电池负极材料领域获得应用。
发明内容
本发明目的是提供一种无废液排放的、简单的制备纳米TiO2/碳复合粉体材料的新方法。
本发明的另一目的是提供了上述方法制备的纳米TiO2/碳复合粉体的应用。
为达到上述目的,本发明利用果皮中含有的水分促进有机物水解,提出了一种直接制备纳米TiO2/碳复合粉体的新方法。以果皮(如柚子皮,橘子皮,香蕉皮等)和钛盐(如钛酸丁酯)为原料,将果皮切碎,浸渍在钛盐的乙醇溶液中1-3小时,钛盐遇到果皮中的水分发生水解反应,生成无定型的TiO2;将混合物在N2气氛下热处理2-4小时,热处理温度为450-550°C,果皮中的有机成分均被碳化,同时,无定型的TiO2转变为锐钛矿晶型,从而一步得到纳米TiO2/碳复合粉体材料。
优选地,本发明中,所述的含水果皮包括柚子皮、香蕉皮,橘子皮等有机废弃物。
优选地,本发明中,所述的钛盐为钛酸丁酯、异丙醇钛或TiCl4等。
优选地,本发明中,控制含水果皮与钛盐的质量比为0.4 : 1 ~ 1 : 1。
优选地,本发明中,控制乙醇溶剂与钛盐的质量比为0 : 1 ~ 2 : 1。
实验表明,本发明所制备的纳米TiO2/碳复合粉体材料具有良好的储锂活性,可用于锂离子电池负极材料。
本发明所提供的纳米TiO2/碳复合粉体材料的制备方法,与现有技术相比,具有以下优点:工艺简单,所有原料无毒无害,制备过程无废液产生,同时能够实现柚子等果皮有机废弃物的有效综合利用,变废为宝。
附图说明
图1为本发明提出的纳米TiO2/碳复合粉体制备过程示意图。其中,a表示含水果皮颗粒,b表示果皮与钛盐的混合物,c表示热处理后得到的TiO2/碳复合粉体材料。
图2为本发明实施例1制备的纳米TiO2/碳复合粉体材料的XRD图谱。
图3为本发明实施例1制备的纳米TiO2/碳复合粉体材料的Raman图谱。
图4为本发明实施例1制备的纳米TiO2/碳复合粉体材料的SEM图。
图5为本发明实施例1制备的纳米TiO2/碳复合粉体材料作为锂离子电池负极的电位曲线。其中,a是首次放电曲线,b是首次充电曲线,c是第二次放电曲线,电流密度为100 mA g-1,电压范围为0.01~3.0 V。
图6为本发明实施例1制备的纳米TiO2/碳复合粉体材料作为锂离子电池负极的循环曲线。电流密度为300 mA g-1(前5个循环电流密度为100 mA
g-1),电压范围为0.01~3.0 V。
图7为本发明实施例1制备的纳米TiO2/碳复合粉体作为锂离子电池负极的倍率特性曲线。电压范围为0.01~3.0 V。
图8为本发明实施例2制备的纳米TiO2/碳复合粉体的SEM图。
图9为本发明实施例2制备的纳米TiO2/碳复合粉体作为锂离子电池负极的循环曲线。电流密度为300 mA g-1(前5个循环电流密度为100 mA
g-1),电压范围为0.01~3.0 V。
图10为本发明实施例2制备的纳米TiO2/碳复合粉体作为锂离子电池负极的倍率特性曲线。电压范围为0.01~3.0 V。
图11为本发明实施例3制备的纳米TiO2/碳复合粉体作为锂离子电池负极的循环曲线。电流密度为300 mA g-1(前5个循环电流密度为100 mA
g-1),电压范围为0.01~3.0 V。
图12为本发明实施例3制备的纳米TiO2/碳复合粉体作为锂离子电池负极的倍率特性曲线。电压范围为0.1~3.0 V。
具体实施方式
以下通过实施例进一步地描述本发明,但不限于此。
实施例1
分别量取5毫升钛酸丁酯,5毫升无水乙醇加入150毫升烧杯中,称取2克柚子皮内瓤(白色)切成小颗粒,放入烧杯中静置2小时使其充分水解,得到深黄色样品。将所得的样品在N2气氛下450°C退火3小时,最后得到黑色的样品。XRD结果表明,所得样品中TiO2呈现良好锐钛矿晶型(图2)。Raman图谱(图3)中含有D峰(1358/厘米)和G峰(1582/厘米),表明所得样品中存在碳成分,且峰强比(ID/IG)为0.78,生成部分石墨化的碳。测定样品的表面形貌(SEM图,图4),所得纳米TiO2/碳复合粉体为直径在200纳米左右球形颗粒,同时还存在少量直径在1微米左右的微球。
将活性材料(实施例1制备的纳米TiO2/碳复合粉体)、导电剂(Super P)、粘结剂(聚偏氟乙烯,PVDF)按一定质量比(8:1:1)加入溶剂(1-甲基-2-吡咯烷酮,NMP)中混合成浆料均匀涂于铜箔上,放置在真空干燥箱中100°C干燥24小时,切成直径为14毫米的圆片,称重后在充满氩气的手套箱中组装成CR2016型的扣式电池。其中,金属锂作为对电极,1 M LiPF6的EC/DMC(体积比为1:1) 溶液作为电解液,采用Celgard-2300隔膜。恒电流充放电测试在LAND测试系统上进行。
图5,图6分别是实施例1制备的纳米TiO2/碳复合粉体样品作为锂离子电池负极的电位曲线、循环性能曲线,电流密度为300 mA g-1(前5个循环电流密度为100 mA
g-1),电压范围为0.01~3.0 V。图5表明,首次放电、充电容量分别为334.7mAh g-1和205.8 mAh
g-1,第二次的放电容量为221.9mAh g-1。图6可以看出,第6次放电、充电容量分别为177.4mAh g-1和163.7 mAh
g-1,100次循环后放电容量保持210.2mAh g-1,对应库伦效率为99.1%,表现出优异的循环稳定性。无论是电位曲线还是循环曲线,首次充放电存在较大容量损失,可以归因于SEI膜的形成,消耗了一定量的Li+,造成不可逆容量的产生。尽管如此,该发明提供的新方法制备的TiO2/碳复合电极材料相比于目前商业化的钛酸锂(Li4Ti5O12)具有更高的可逆容量。图7是实施例1制备的纳米TiO2/碳复合粉体样品作为锂离子电池负极的倍率特性曲线,电压范围为0.01~3.0 V。在2 A g-1的电流密度下,容量保持106.0mAh g-1,当电流密度从5 A g-1恢复到0.1 A g-1时,可逆容量为236.1mAh g-1,相比于初始容量无损失,表明该发明得到的样品具有良好的倍率性能。
实施例2
分别量取5毫升钛酸丁酯,10毫升无水乙醇加入150毫升烧杯中,称取5克柚子皮内瓤(白色)切成小颗粒,放入烧杯中静置1小时使其充分水解,得到深黄色样品。将所得的样品在N2气氛下550°C退火4小时,最后得到黑色的样品。测定样品的表面形貌(图8),SEM图显示该实施例2得到的纳米TiO2/碳复合粉体为直径在200纳米左右的球形颗粒,且分布均匀。
将活性材料(实施例2制备的纳米TiO2/碳复合粉体)、导电剂(Super P)、粘结剂(聚偏氟乙烯,PVDF)按一定质量比(8:1:1)加入溶剂(1-甲基-2-吡咯烷酮,NMP)中混合成浆料均匀涂于铜箔上,放置在真空干燥箱中100°C干燥24小时,切成直径为14毫米的圆片,称重后在充满氩气的手套箱中组装成CR2016型的扣式电池。其中,金属锂作为对电极,1 M LiPF6的EC/DMC(体积比为1:1) 溶液作为电解液,采用Celgard-2300隔膜。恒电流充放电测试在LAND测试系统上进行。
图9,图10分别是实施例2制备的纳米TiO2/碳复合粉体样品作为锂离子电池负极的循环性能曲线、倍率特性曲线,电流密度为300 mA g-1(前5个循环电流密度为100 mA
g-1),电压范围为0.01~3.0 V。第6次放电、充电容量分别为241.1mAh g-1和217.7mAh g-1。100次循环后放电容量保持232.7mAh g-1,对应库伦效率为99.4%,容量保持率为96.5%,表现出优异的循环稳定性。从图10可以看出,在2 A g-1的电流密度下,容量保持88.9mAh g-1,当电流密度从5 A g-1恢复到0.1 A g-1时,可逆容量为289.5mAh g-1,容量保持率为97.8%,表现出良好的倍率性能。
实施例3
量取5毫升钛酸丁酯(密度为1克/毫升)加入150毫升烧杯中,称取5克柚子皮内瓤(白色)切成小颗粒,放入烧杯中静置3小时使其充分水解,得到深黄色样品。将所得的样品在N2气氛下500°C退火2小时,最后得到黑色的样品。
将活性材料(实施例3制备的纳米TiO2/碳复合粉体)、导电剂(Super P)、粘结剂(聚偏氟乙烯,PVDF)按一定质量比(8:1:1)加入溶剂(1-甲基-2-吡咯烷酮,NMP)中混合成浆料均匀涂于铜箔上,放置在真空干燥箱中100°C干燥24小时,切成直径为14毫米的圆片,称重后在充满氩气的手套箱中组装成CR2016型的扣式电池。其中,金属锂作为对电极,1 M LiPF6的EC/DMC(体积比为1:1) 溶液作为电解液,采用Celgard-2300隔膜。恒电流充放电测试在LAND测试系统上进行。
图11是实施例3制备的纳米TiO2/碳复合粉体样品作为锂离子电池负极的循环性能曲线,电流密度为300 mA g-1(前5个循环电流密度为100 mA
g-1),电压范围为0.01~3.0 V。第6次放电、充电容量分别为215.9mAh g-1和194.5mAh g-1,100次循环后放电容量保持204.0mAh g-1,对应库伦效率为99.9%,容量保持率为94.5%,表现出优异的循环稳定性。图12是实施例3制备的纳米TiO2/碳复合粉体样品作为锂离子电池负极的倍率特性曲线,电压范围为0.1~3.0 V。在1 A g-1的电流密度下,容量保持82.4mAh g-1,当电流密度从1 A g-1恢复到50 mA
g-1时,可逆容量为229mAh g-1,容量保持率为96.9%,表现出良好的倍率性能。
Claims (6)
1. 一种纳米TiO2/碳复合粉体材料的制备方法,其特征在于具体步骤为:
(1)以含水果皮和钛盐为原料,将果皮切碎,浸渍在钛盐的乙醇溶液中1-3小时,钛盐遇到果皮中的水分发生水解反应,生成无定型的TiO2;
(2)将上述混合物在N2气氛下热处理2-4小时,热处理温度为450-550°C,果皮中的有机成分均被碳化,同时,无定型的TiO2转变为锐钛矿晶型,从而得到纳米TiO2/碳复合粉体材料。
2. 根据权利要求1所述的纳米TiO2/碳复合粉体材料的制备方法,其特征在于所述的含水果皮包括柚子皮、香蕉皮或橘子皮。
3. 根据权利要求1或2所述的纳米TiO2/碳复合粉体材料的制备方法,其特征在于所述的钛盐为钛酸丁酯、异丙醇钛或TiCl4。
4. 根据权利要求3所述的纳米TiO2/碳复合粉体材料的制备方法,其特征在于控制含水果皮与钛盐的质量比为0.4 : 1 ~ 1 : 1。
5. 根据权利要求1、2或4所述的纳米TiO2/碳复合粉体材料的制备方法,其特征在于控制乙醇溶剂与钛盐的质量比为0 : 1 ~ 2 : 1。
6. 由权利要求1-5之一所述制备方法得到的纳米TiO2/碳复合粉体材料作为锂离子电池负极材料的应用。
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