CN109928750A - 一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料及其制备方法和应用，上述电极材料的制备包括如下步骤：将NbO2和WO2混合并研磨后压制成块状，再将其由室温加热至1200℃后空冷冷却至室温即可。本发明中通过高温热氧化法制备了微米级尺寸的Nb16W5O55和Nb18W16O93两种铌钨氧化物作为锂离子电池负极材料，上述微米级活性物质可在几分钟内发生脱锂和嵌锂反应，对高功率快速充电器件具有重要意义，且其微米级结构可有效提高电池整体的体积能量密度，突破了传统的电极材料纳米结构策略，亚稳态的晶体结构有效克服了离子扩散和电子导电性能差的问题。

Description

一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料及其制备方法和应用。
背景技术
电池在我们生活中的实际应用起着重要的作用，包括电子消费，提供汽车的动力，间歇性可再生能源发电的固定负载等。
然而，目前的商业化电池已经不能满足社会快速发展下的需求，比如便携式电子器件、电动车、网络储能系统的等，现在电池的发展需要具有更高的能量密度和更快的充放电速度，并增加锂离子电池的功率和减少充电时间，还需要新的高倍率电极材料可以在几分钟内大量的存储电荷。
提高倍率的最直观和最常用的方法是构建纳米尺寸或多孔结构的材料，以最小化锂离子的固态扩散，使锂能够更快地通过复合电极传输，增加电极材料与电解质接触的比表面积，分级碳结构和碳包覆也经常用于提高电子电导率，这也是提高电极材料大倍率性能的另一种方法。
尽管石墨负极早已成功商业应用，但是依然不能进行大倍率充放电，是因为石墨负极在大倍率充放电时易粉化和形成锂枝晶，锂枝晶会导致电池短路，甚至引发火灾和爆炸。钛酸锂(LTO)作为另一类负极材料，具有良好的大倍率性能，但其较高的电压(1.5V)和较低的理论比容量(175mAh/g) 限制了全电池的能量密度。虽然材料纳米化和碳包覆能在一定程度上改善 LTO的电化学性能，但是使用纳米尺寸的材料会导致电池体积能量密度的降低。同时，这些设计复杂的电极材料在实际应用时制备时间长，成本大，不易于工业化生产。
发明内容
针对现有电极材料存在的上述问题，现提供一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料及其制备方法和应用，旨在提供一种可有效提升锂离子二次电池的体积能量密度和使用寿命并解决锂离子二次电池快速充放电问题的铌钨氧化物快充电极材料。
具体技术方案如下：
本发明的第一个方面是提供一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：将NbO2和WO2混合并研磨后压制成块状，再将其由室温加热至1200℃后空冷冷却至室温，即可获得一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料。
上述的制备方法，还具有这样的特征，NbO2和WO2按物质的量比为16:5 进行混合。
上述的制备方法，还具有这样的特征，所述NbO2和所述WO2按物质的量比为18:16进行混合。
上述的制备方法，还具有这样的特征，压制压力为10MPa。
上述的制备方法，还具有这样的特征，加热时加热速率为10℃/min。
本发明的第二个方面是提供一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料，具有这样的特征，根据上述制备方法制备获得。
本发明的第三个方面是提供一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料在锂离子二次电池中的应用。
本发明中通过高温热氧化法制备了微米级尺寸的Nb16W5O55和 Nb18W16O93两种铌钨氧化物作为锂离子电池负极材料，上述微米级活性物质可在几分钟内发生脱锂和嵌锂反应，对高功率快速充电器件具有重要意义，且其微米级结构可有效提高电池整体的体积能量密度，突破了传统的电极材料纳米结构策略，亚稳态的晶体结构有效克服了离子扩散和电子导电性能差的问题。
附图说明
图1为本发明的实施例中提供的高倍率铌钨氧化物快充电极材料 Nb16W5O55(a)和Nb18W16O93(b)的SEM图；
图2为本发明实施例中提供的高倍率铌钨氧化物快充电极材料的半电池倍率性能图；
图3为本发明实施例中提供的高倍率铌钨氧化物快充电极材料 Nb16W5O55(a)和Nb18W16O93(b)的半电池阻抗图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1
将NbO2(购自Alfa Aesar，99+％)和WO2(购自Alfa Aesar，99+％)按物质的量比为16：5混合并在研钵中手工研磨1h后用10MPa压力压制成块状，再将其置于金属铂坩埚中以10℃/min加热速率由室温加热至1200℃，最后于约2h空冷冷却至室温，即可获得一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料 Nb16W5O55。
如图1所示，本发明的实施例中提供的电极材料Nb16W5O55形貌均一，尺寸达到微米级。
本发明中将上述电极材料与导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF(聚偏二氟乙烯)按照质量比8：1：1研磨半小时后加溶剂NMP(甲基吡咯烷酮)，并于室温下搅拌6h制备成浆料，再将制备好的浆料用刮刀均匀涂覆在铜箔上制备成极片，将极片冲成圆片后作为工作电极，锂片作为对电极和参比电极，电解液采用1.0M的LiPF6(EC：DMC＝1：1)，隔膜为玻璃纤维隔膜，在充满氩气的手套箱中组装成CR2032式的纽扣电池。
将组装好的电池放在蓝电充放电仪上，对其进行恒流充放电测试，如图 2所示，含有本发明中提供的铌钨氧化物的组装电池在0.2C的小倍率下有 200-250mAh/g左右的比容量，在20C的大倍率下有125-150mAh/g左右的比容量，在100C的超大倍率下还保持25-85mAh/g左右的比容量，说明本发明提供的铌钨氧化物有较好的倍率性能，能在大电流密度下进行充放电；如图3(a)所示，含有本发明中提供的铌钨氧化物的组装电池的电化学阻抗只有30Ω左右，说明此电池的内耗较小。
实施例2
将NbO2(购自Alfa Aesar，99+％)和WO2(购自Alfa Aesar，99+％)按物质的量比为18：16混合并在研钵中手工研磨1h后用10MPa压力压制成块状，再将其置于金属铂坩埚中以10℃/min加热速率由室温加热至1200℃，最后于约2h空冷冷却至室温，即可获得一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料 Nb18W16O93。
本发明中将上述电极材料与导电剂乙炔黑、粘结剂PVDF(聚偏二氟乙烯)按照质量比8：1：1研磨半小时后加溶剂NMP(甲基吡咯烷酮)，并于室温下搅拌6h制备成浆料，再将制备好的浆料用刮刀均匀涂覆在铜箔上制备成极片，将极片冲成圆片后作为工作电极，锂片作为对电极和参比电极，电解液采用1.0M的LiPF6(EC:DMC＝1:1)，隔膜为玻璃纤维隔膜，在充满氩气的手套箱中组装成CR2032式的纽扣电池。
如图1所示，本发明的实施例中提供的电极材料Nb16W5O55形貌均一，尺寸达到微米级。
将组装好的电池放在蓝电充放电仪上，对其进行恒流充放电测试，如图 2所示，含有本发明中提供的铌钨氧化物的组装电池在0.2C的小倍率下有 200-250mAh/g左右的比容量，在20C的大倍率下有125-150mAh/g左右的比容量，在100C的超大倍率下还保持25-85mAh/g左右的比容量，说明本发明提供的铌钨氧化物有较好的倍率性能，能在大电流密度下进行充放电；如图3(b)所示，含有本发明中提供的铌钨氧化物的组装电池的电化学阻抗只有35Ω左右，说明此电池的内耗较小。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将NbO2和WO2混合并研磨后压制成块状，再将其由室温加热至1200℃后空冷冷却至室温，即可获得一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述NbO2和所述WO2按物质的量比为16:5进行混合。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述NbO2和所述WO2按物质的量比为18:16进行混合。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，压制压力为10MPa。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，加热时加热速率为10℃/min。
6.一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料，其特征在于，根据权利要求1-5任一项所述制备方法制备获得。
7.一种高倍率铌钨氧化物快充电极材料在锂离子二次电池中的应用。
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