CN106532028A - 用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌及其制备方法 - Google Patents

用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌及其制备方法，该制备方法包括以下步骤：将草酸铌溶于去离子水中；按一定比例加入氟化铵；将所得溶液装入高压反应釜加热反应；冷却后经洗涤、干燥、焙烧即得海胆状五氧化二铌。本发明合成的海胆状五氧化二铌形貌规则、分散性好、比表面积大、且具有微纳多级结构产生的许多新的物理化学特性，用于锂离子电池负极表现出优异的电化学性能。此外，本发明具有工艺简单，反应可控性强，生产成本低，可以大规模工业化生产。

Description

用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌及其制备方法
技术领域
本发明属于锂离子电池材料技术领域，具体地说，涉及一种用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌及其制备方法。
背景技术
锂离子电池具有高的能量密度、优良的循环稳定性及环境友好等特点，被广泛应用于各种便携式电子产品中。目前商品化的锂离子电池大多利用石墨类碳材料作为负极，存在着安全性低、充电速度慢等问题，已经无法满足人们对锂离子电池性能的需求。五氧化二铌属于ReO3结构，有利于锂离子的扩散，可以快速充放电；且其嵌脱锂电位高(1-2.0V)，有效避免了锂枝晶的生成，具有高的安全性。因而，五氧化二铌被认为是一种很具发展前景的高性能锂离子电池负极材料。但是由于其电子电导率较低，严重限制了材料的电化学性能。
研究者们通过各种途径来改善五氧化二铌的电化学性能，比如掺杂元素、包覆导电相物质、减小颗粒尺寸等。减小材料颗粒尺寸特别是合成纳米级材料可以缩短电子和锂离子的传输距离进而弥补电导率低的缺点。目前人们已经合成出纳米粒子、纳米线、纳米片、纳米棒等结构的五氧化二铌材料，用于锂离子电池负极都表现出良好的电化学性能。近年来人们研究发现，一些具有特殊形貌结构的电极材料表现出优异的电化学性能，这主要归功于其具有高的比表面积以及一些特有的物理化学性能(比如协同效应和耦合效应等)。Lu等人(H.Lu,K.Xiang,et al.Urchin-shaped Nb2O5 microspheres synthesized by thefacile hydrothermal method and their lithium ion storageperformance.Materials Letters 167(2016)106-108)利用水热法合成出海胆状五氧化二铌微球，用于锂离子电池负极材料表现出较好的电化学性能，但是合成出的海胆状五氧化二铌微球形状不规则且分散性差。
发明内容
有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌及其制备方法，采用该方法制备的海胆状五氧化二铌形貌规则、分散性好，用于锂离子电池负极材料时表现出优异的电化学性能。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌的制备方法，包括以下步骤：
步骤1)、在搅拌条件下将草酸铌溶于去离子水中；
步骤2)、向上述溶液中加入一定量的氟化铵，继续搅拌0.1-30小时；
步骤3)、将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中加热反应；
步骤4)、将步骤3)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，直至溶液呈中性，然后置于真空干燥箱中干燥；
步骤5)、将步骤4)所得粉体置于管式炉中焙烧，即得海胆状五氧化二铌。
进一步地，步骤1)中得到的溶液中的铌的浓度为0.012-0.020mol/L。
进一步地，步骤2)中草酸铌与氟化铵的摩尔比为1:1.5-1:7。
进一步地，步骤3)中加热温度为178-185℃，加热时间为1-15小时。
进一步地，步骤4)中的真空干燥温度为60-120℃。
进一步地，步骤5)中的焙烧温度为600-1100℃，焙烧时间为0.5小时-1.5小时。
本发明还公开了一种由上述的制备方法制备得到的用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明所合成的海胆状五氧化二铌是由五氧化二铌纳米带组装形成的，纳米带的直径约为20-50纳米，海胆状五氧化二铌的形貌规则，且具有较好的分散性。
2)本发明合成的海胆状五氧化二铌比表面积大。
3)本发明合成的海胆状五氧化二铌用于锂离子电池负极表现出优异的电化学性能，此外也可用于光催化、电容器等领域。
4)本发明具有工艺简单，反应可控性强，生产成本低，可以大规模工业化生产。
当然，实施本发明的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例1制备海胆状五氧化二铌的X-射线衍射图；
图2是本发明实施例1制备海胆状五氧化二铌的扫描电镜(SEM)照片；
图3是本发明实施例1制备海胆状五氧化二铌的透射电镜(TEM)照片；
图4是本发明实施例1制备的海胆状五氧化二铌在500mA/g电流密度下的前150次循环性能曲线图；
图5是本发明对比例1制备得到的产品的扫描电镜(SEM)照片；
图6是本发明对比例2制备得到的产品的扫描电镜(SEM)照片。
具体实施方式
以下将配合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1
步骤1)在搅拌条件下将草酸铌溶于去离子水中，其中溶液中铌的浓度为0.016mol/L；
步骤2)向上述溶液中加入氟化铵，其中草酸铌与氟化铵的摩尔比为1:2，继续搅拌30小时；
步骤3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在180℃下加热反应6小时；
步骤4)将步骤3)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为80℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1小时，即得海胆状五氧化二铌。
如图1所示，样品的衍射峰与PDF卡片中五氧化二铌的标准衍射峰吻合，没有发现其它杂质峰，说明合成的样品较纯。如图2所示，样品具有规则的海胆状形貌，且具有较好的分散性。如图3所示，海胆状五氧化二铌是由大量纳米带构筑而成。如图4所示，样品在500mAh/g电流密度下经过150次循环后的放电比容量仍保持在126.3mAh/g，容量保持率为94％。
实施例2
步骤1)在搅拌条件下将草酸铌溶于去离子水中，其中溶液中铌的浓度为0.012mol/L；
步骤2)向上述溶液中加入氟化铵，其中草酸铌与氟化铵的摩尔比为1:0.5，继续搅拌15小时；
步骤3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在178℃下加热反应15小时；
步骤4)将步骤3)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为60℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1.5小时，即得海胆状五氧化二铌。
实施例3
步骤1)在搅拌条件下将草酸铌溶于去离子水中，其中溶液中铌的浓度为0.020mol/L；
步骤2)向上述溶液中加入氟化铵，其中草酸铌与氟化铵的摩尔比为1:2.4，继续搅拌20小时；
步骤3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在185℃下加热反应1小时；
步骤4)将步骤3)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为120℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在1100℃下焙烧0.5小时，即得海胆状五氧化二铌。
实施例4
步骤1)在搅拌条件下将草酸铌溶于去离子水中，其中溶液中铌的浓度为0.018mol/L；
步骤2)向上述溶液中加入氟化铵，其中草酸铌与氟化铵的摩尔比为1:3.1，继续搅拌8小时；
步骤3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在182℃下加热反应6小时；
步骤4)将步骤3)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为80℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在800℃下焙烧1.2小时，即得海胆状五氧化二铌。
实施例5
步骤1)在搅拌条件下将草酸铌溶于去离子水中，其中溶液中铌的浓度为0.014mol/L；
步骤2)向上述溶液中加入氟化铵，其中草酸铌与氟化铵的摩尔比为1:7，继续搅拌0.1小时；
步骤3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在184℃下加热反应4小时；
步骤4)将步骤3)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为100℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在900℃下焙烧0.8小时，即得海胆状五氧化二铌。
对比例1
步骤1)在搅拌条件下将五氯化铌溶于去离子水中，其中溶液中铌的浓度为0.016mol/L；
步骤2)向上述溶液中加入氟化铵，其中五氯化铌与氟化铵的摩尔比为1:2，继续搅拌30小时；
步骤3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在180℃下加热反应6小时；
步骤4)将步骤3)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为80℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1小时，做不出海胆状五氧化二铌。如图5所示，样品呈现出无规则形貌。
对比例2
步骤1)在搅拌条件下将草酸铌铵溶于去离子水中，其中溶液中铌的浓度为0.016mol/L；
步骤2)向上述溶液中加入氟化铵，其中草酸铌铵与氟化铵的摩尔比为1:2，继续搅拌30小时；
步骤3)将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中，在180℃下加热反应6小时；
步骤4)将步骤3)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，然后置于温度为80℃的真空干燥箱中干燥；
步骤5)将步骤4)所得粉体置于管式炉中，在600℃下焙烧1小时，做不出海胆状五氧化二铌。如图6所示，样品呈现出无规则的二次粒子团聚体状形貌。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、在搅拌条件下将草酸铌溶于去离子水中；
步骤2)、向上述溶液中加入一定量的氟化铵，继续搅拌0.1-30小时；
步骤3)、将步骤2)所得溶液转移至内衬聚四氟乙烯的不锈钢反应釜中，置于恒温干燥箱中加热反应；
步骤4)、将步骤3)所得反应沉淀物分别用乙醇和去离子水洗涤数次，直至溶液呈中性，然后置于真空干燥箱中干燥；
步骤5)、将步骤4)所得粉体置于管式炉中焙烧，即得海胆状五氧化二铌。
2.根据权利要求1所述的用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中得到的溶液中的铌的浓度为0.012-0.020mol/L。
3.根据权利要求1所述的用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中草酸铌与氟化铵的摩尔比为1:1.5-1:7。
4.根据权利要求1所述的用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中加热温度为178-185℃，加热时间为1-15小时。
5.根据权利要求1所述的用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中的真空干燥温度为60-120℃。
6.根据权利要求1所述的用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中的焙烧温度为600-1100℃，焙烧时间为0.5小时-1.5小时。
7.一种由权利要求1-6中任一权利要求所述的制备方法制备得到的用于锂离子电池负极材料的海胆状五氧化二铌。
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