CN110224111B - 氮化钛包覆的铌酸钛材料及其制备方法和负极、电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及铌酸钛负极材料,公开了氮化钛包覆的铌酸钛材料及其制备方法和负极、电池,解决目前铌酸钛材料电子电导率低、Li+扩散系数低、所制得负极倍率性能差,使铌酸钛在锂负极中应用受到限制的问题,其技术方案是在高温且氮气气氛下,纳米铌酸钛颗粒为内核,以金属氢化物中氢为还原剂对内核表面还原形成氮化钛的壳层,再由处理后的纳米铌酸钛颗粒烧结得到氮化钛包覆的铌酸钛材料,提高改性纳米铌酸钛颗粒和铌酸钛负极材料电导率,减缓铌酸钛负极材料在循环过程中的锂损耗,提高铌酸钛负极材料制得负极容量,并限制负极受温度影响下的膨胀收缩,并提高了使用本申请铌酸钛负极材料的锂离子电池的能量密度和循环性,降低锂离子电池的内阻。

Description

氮化钛包覆的铌酸钛材料及其制备方法和负极、电池
技术领域
本发明涉及铌酸钛负极材料,特别涉及氮化钛包覆的铌酸钛材料及其制备方法和负极、电池。
背景技术
锂离子电池自20世纪90年代问世以来发展迅猛,目前已在小型二次电池市场占据了最大的份额。其中大容量锂电池是各种新能源和电网的储能工具,有人甚至将锂离子电池取代燃油发动机称为第五次工业革命,动力电池将来可能以锂离子电池为主。
锂离子电池中负极材料是储锂的主体,也是决定锂离子电池性能优劣的关键,负极材料的性能对制得锂离子电池的性能发挥着重要的作用。锂离子电池负极储锂材料经历了长期的发展过程,从开始的金属锂到锂基合金化合物、碳材料、过渡金属化合物再到其它新型材料的探索。经过长期的探索,它己发展成为一个庞大的家族。根据材料的储锂机理,负极材料可以分为三大种类:脱嵌型、合金型和反应型。在现有的锂电池应用中,铌酸钛材料是一种理想的脱嵌型负极材料,其具有循环性良好、有相对较高的工作电势。铌酸钛材料中TiNb2O7和Ti2Nb10O29的理论容量分别高达388和396mAh·g-1,较当下使用的Li4Ti5O12大1.2倍,也比石墨的容量大。
但目前铌酸钛材料存在有以下两方面的缺陷。第一,铌酸钛中Ti4+和Nb5+都处于最高价态,所以铌酸钛中没有未成对的电子,导致其电子电导率很低,使制得的电池内阻大。第二,铌酸钛的Li+扩散系数也低,使得由铌酸钛制得的负极与电解质之间界面阻抗较大。
由于以上两方面的缺陷,铌酸钛材料制得的负极倍率性能差,导致铌酸钛在锂离子电池制备负极的应用、由铌酸钛负极制得的锂离子电池的应用受到限制。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明的第一个目的在于提供一种氮化钛包覆的铌酸钛材料,较现有铌酸钛负极材料而言,其电导率和容量得到提升,提高锂离子电池的能量密度和循环性,并降低锂离子电池的阻抗。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种氮化钛包覆的铌酸钛材料,其由改性纳米铌酸钛颗粒烧结得到,所述改性铌酸钛颗粒分为内核和包覆在内核外的壳层,所述内核成分为铌酸钛,所述壳层成分包括氮化钛。
通过采用上述技术方案,改性纳米铌酸钛颗粒作为本申请铌酸钛材料的烧结原料,具有核壳结构。改性纳米铌酸钛颗粒以铌酸钛为内核,其外壳主要成分为氮化钛。
氮化钛对具有良好的电导率以及几近为零的热变形量。由此,氮化钛包覆铌酸钛后,氮化钛贡献高电导率,提高改性纳米铌酸钛颗粒之间、负极与电解质之间的电导率,减少界面阻抗。再者,在铌酸钛贡献高容量时,壳层的氮化钛限制内核铌酸钛的热变形,减缓负极受温度影响下的体积变化,提高负极自身的稳定性,并提高负极与电解质的结合稳定性,提高锂离子电池的循环性能。
同时当下现有技术中认为铌酸钛作为负极材料时,铌酸钛表面不会形成SEI膜或忽视铌酸钛上SEI膜的形成,但铌酸钛上SEI膜是存在的。此处氮化钛因其晶格结构与高电导率,使得SEI膜在改性铌酸钛颗粒表面形成均匀、完整且薄,减低界面阻抗,以及减少SEI膜组成的形成量,减缓铌酸钛负极材料在循环过程中的活性锂损耗,提高负极容量。
由此,较现有铌酸钛材料,本申请的氮化钛包覆的铌酸钛材料的电导率和容量得到提升,提高使用本申请铌酸钛负极材料的锂离子电池能量密度和循环性能,并降低其锂离子电池的阻抗。
针对现有技术存在的不足,本发明的第二个目的在于提供一种氮化钛包覆的铌酸钛材料的制备方法,所得纳米铌酸钛颗粒的壳层均匀、包覆致密且完整,控制工艺参数可控制壳层厚度。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种氮化钛包覆的铌酸钛材料的制备方法,包括以下步骤,
S1:将纳米铌酸钛颗粒与纳米金属氢化物颗粒按质量1∶0.05~1∶0.2混合均匀,得到混合原料;
S2:将混合原料置于氮气气氛、500~800℃下,进行高温表面处理,高温表面处理时间为5~6h,高温处理后待其冷却,得到改性纳米铌酸钛颗粒;
S3:将改性纳米铌酸钛颗粒在950~1000℃下高温烧结8~10h,得到氮化钛包覆的铌酸钛材料。
通过采用上述技术方案,本申请制备方法在高温且氮气气氛下,以金属氢化物中的氢作为还原剂,对纳米铌酸钛颗粒表面还原并氮化,由此形成氮化钛的壳层。该制备方法得到壳层均匀,壳层包覆致密且完整,并且通过控制工艺参数:高温表面处理时的温度、气压、氮气分压等,可控制壳层厚度。
同时本申请制备方法在制备改性纳米铌酸钛颗粒时,部分金属氢化物渗入内核的铌酸钛表层,部分掺杂于壳层内,进一步提高改性纳米铌酸钛颗粒的电导性。
本发明进一步设置为:所述金属氢化物为氢化锂、氢化钙中的一种。
通过采用上述技术方案,氢化锂、氢化钙熔点在金属氢化物中较低,同时两者对热稳定性高,较其他金属氢化物如氢化钾而言,常温化学稳定性较优,更为安全,易获得,对使用环境要求较其他金属氢化物低,简单工艺对操作环境的需求。
本发明进一步设置为:所述金属氢化物为氢化锂。
通过采用上述技术方案,高温表面处理时,氢化锂中氢作为还原剂后,氢化锂中的锂掺在于氮化钛内或渗入内核铌酸钛的表层,提高了改性纳米铌酸钛颗粒的电导率,并作为SEI膜形成时Li的来源之一,对负极补充活性锂,提高氮化钛包覆的铌酸钛材料的容量和倍率性能,提高使用本申请铌酸钛材料制得负极的锂离子电池首次库伦效率。
本发明进一步设置为:S2中氮气气氛下高温表面处理的温度为680~700℃。
通过采用上述技术方案,当温度为680~700℃时,氢化锂处于熔融状态,氢化锂浸润铌酸锂颗粒的表面,促进氮化钛在内核铌酸钛表面均匀生成,且提高壳层形成的致密性和完整性,提高壳层对限制内核热变形、提高负极稳定的效果。
本发明进一步设置为:所述纳米铌酸钛颗粒和金属氢化物颗粒的粒度之比为1∶0.1~1∶0.3,所述金属氢化物颗粒呈片状。
通过采用上述技术方案,纳米铌酸钛颗粒和金属氢化物颗粒混合后,片状且质地较铌酸钛软的金属氢化物颗粒包裹粘附纳米铌酸钛颗粒的表面,高温表面处理时促进纳米铌酸钛颗粒表面均匀转化形成氮化钛,以构成均匀的壳层,减少出现壳层缺陷未包裹的可能。再者对高温表面处理时,片状的金属氢化物熔融后浸润纳米铌酸钛颗粒表面的效果更佳。
针对现有技术存在的不足,本发明的第三个目的在于提供一种铌酸钛负极,电导率高、容量高且阻抗降低。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种铌酸钛负极,使用上述的氮化钛包覆的铌酸钛材料制得。
针对现有技术存在的不足,本发明的第四个目的在于提供种锂离子电池,能量密度高、循环性能好且电池阻抗小。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的:
一种锂离子电池,使用上述的铌酸钛负极。
综上所述,本发明具有以下有益效果:
1.改性纳米铌酸钛颗粒作为本申请铌酸钛材料的烧结原料,由铌酸钛内核和以氮化钛为主要成分的壳层组成。氮化钛对具有良好的电导率以及几近为零的热变形量,氮化钛贡献高电导率,提高改性纳米铌酸钛颗粒之间、负极与电解质之间的电导率,减少界面阻抗。并且在铌酸钛贡献高容量时,壳层的氮化钛限制内核铌酸钛的热变形,减缓负极受温度影响下的体积变化,提高负极自身的稳定性,并提高负极与电解质的结合稳定性,提高锂离子电池的循环性能。
2.当下现有技术中认为铌酸钛作为负极材料时,铌酸钛表面不会形成SEI膜或忽视铌酸钛上SEI膜的形成,但铌酸钛上SEI膜是存在的。此处氮化钛因其晶格结构与高电导率,使得SEI膜在改性铌酸钛颗粒表面形成均匀、完整且薄,减低界面阻抗,以及减少SEI膜组成的形成量,减缓铌酸钛负极材料在循环过程中的活性锂损耗,提高负极容量。
3.本申请制备方法在高温且氮气气氛下,以金属氢化物中的氢作为还原剂,对纳米铌酸钛颗粒表面还原并氮化,由此形成氮化钛的壳层。该制备方法得到壳层均匀,壳层包覆致密且完整,并且通过控制工艺参数:高温表面处理时的温度、气压、氮气分压等,可控制壳层厚度。
4.本申请制备方法在制备改性纳米铌酸钛颗粒时,部分金属氢化物渗入内核的铌酸钛表层,部分掺杂于壳层内,进一步提高改性纳米铌酸钛颗粒的电导性。并且金属氢化物为氢化锂时,氢化锂中的锂掺在于氮化钛内或渗入内核铌酸钛的表层,对负极补充活性锂,提高氮化钛包覆的铌酸钛材料的容量和倍率性能,提高使用本申请铌酸钛材料制得负极的锂离子电池首次库伦效率。
5.S2中氮气气氛下高温表面处理的温度为680~700℃,氮气气氛下高温表面处理时氢化锂处于熔融状态,氢化锂浸润铌酸锂颗粒的表面,促进氮化钛在内核铌酸钛表面均匀生成,且提高壳层形成的致密性和完整性,提高壳层对限制内核热变形、提高负极稳定的效果。
附图说明:
图1为本申请氮化钛包覆的铌酸钛材料制备方法流程图。
具体实施方式
实施例1~6,
一种氮化钛包覆的铌酸钛材料,其可为粉剂或成型体,粉体由改性纳米铌酸钛颗粒烧结得到,成型体由改性纳米铌酸钛颗粒烧静压成型粗坯后烧结得到。
改性纳米铌酸钛颗粒包括内核和包覆在内核外的壳层。内核成分为铌酸钛,壳层成分主要为氮化钛,壳层由内核原表层的铌酸钛在高温、氮气、环境和还原剂作用下反应并在原表层生长形成得到,故内核与壳层分界根据其反应时工艺参数条件而定,内核与壳层铸之间的分界根据壳层形状和生长状态而定。故而改性纳米铌酸钛颗粒的粒度在50~1000nm分散区间内,根据作为内核原料的铌酸钛粒度和工艺参数而分布于更小的分散区间内。
壳层内还混合有铌酸钛、金属氢化物。氮化钛占比大于50wt%,其具体含量根据其制备工艺参数控制影响。金属氢化物为氢化锂或氢化钙中的一种,此处选用氢化锂。
如附图1所示,上述氮化钛包覆的铌酸钛材料的制备方法如下,
S1:将纳米铌酸钛颗粒与片状钠米氢化锂颗粒按质量1∶0.05~1∶0.2混合均匀,得到混合原料;
S2:将混合原料置于氮气气氛下加热至500~800℃进行高温表面处理,高温表面处理时间5~6h,得到改性纳米铌酸钛颗粒;
S3:将改性纳米铌酸钛颗粒在950~1000℃下高温真空烧结8~10h,得到氮化钛包覆的铌酸钛材料。
根据上述内容及制备方法进行氮化钛包覆的铌酸钛材料的制备,得到实施例1~6,此处实施例1~6制得氮化钛包覆的铌酸钛材料为粉体粉末,实施例1~6具体参数如表一所示。同时对实施例1~6制得氮化钛包覆的铌酸钛材料粉末压紧成片后,经过四探针电阻测试其对应的电导率,电导率测试结果如表一所示。
表一.实施例1~6中制备方法的具体参数表以及电导率
Figure BDA0002079315270000051
对实施例1进行对钠米铌酸钛颗粒和纳米氢化锂颗粒的用量比进行调整实验,其他参数不变,并检测其电导率,检测结果如表二所示。
表二.实施例1对钠米铌酸钛颗粒和纳米氢化锂颗粒的用量比调整实验结果
Figure BDA0002079315270000052
通过表一中实施例1的电导率和表二实施例1A~1G的电导率可知,纳米氢化锂颗粒相对钠米铌酸钛颗粒用量过少时,起不到有效的包覆效果,导致电导率较低。纳米氢化锂颗粒用量持续增加并没有持续增加电导率,过多的氢化锂颗在内核外侧表面的积累不能有效反应掉,对壳层形成完整性以及致密性产生负面影响,并对电导率起到反面影响。
由此本申请氮化钛包覆的铌酸钛材料,随钠原料中米铌酸钛颗粒和纳米氢化锂颗粒的用量比减小,其电导率先增大后减小,故而对钠米铌酸钛颗粒和纳米氢化锂颗粒的用量比优选为1∶0.05~1∶0.2。
对实施例1进行对高温处理温度进行调整实验,其他参数不变,并检测其电导率,检测结果如表三所示。
表三.实施例1对高温处理温度调整实验结果
实施例 1H 1I 1J 1K 1L
高温处理温度/℃ 500 600 680 750 800
电导率/S·cm<sup>-1</sup> 5.7×10<sup>-7</sup> 6.7×10<sup>-6</sup> 2.1×10<sup>-6</sup> 1.8×10<sup>-6</sup> 1.2×10<sup>-6</sup>
通过表一中实施例1的电导率和表三中实施例1H~1L的电导率可知,本申请氮化钛包覆的铌酸钛材料制备时,S2中氮气气氛下高温表面处理的温度为680~700℃,氢化锂处于熔融状态并浸润铌酸锂颗粒的表面,所得的铌酸钛材料电导率较温度500~800℃内的其他温度范围时高,故而对S2中氮气气氛下高温表面处理的温度优选680~700℃。
对比例1,
一种氮化钛包覆的铌酸钛材料,基于实施例1的基础上,其区别之处在于纳米氢化锂颗粒为球粒状,由此制得氮化钛包覆的铌酸钛材料。
将对比例1制得氮化钛包覆的铌酸钛材料粉末压紧成片后,经过四探针电阻测试其对应的电导率,电导率测试结果为1.3×10-6S·cm-1
对比实施例1和对比例1所得铌酸钛材料的电导率可知,本申请中金属氢化物选用片状时,氮化钛包覆的铌酸钛材料电导率提高效果优于金属氢化物选用片状。
实施例7,
一种铌酸钛负极,使用实施例1~6制得的氮化钛包覆的铌酸钛材料制得,其制备方法:
称取氮化钛包覆的铌酸钛材料、炭黑、聚偏氟乙烯(PVDF),按质量比氮化钛包覆的铌酸钛材料:炭黑:PVDF=17∶1∶2(85∶5∶10)加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,混合待分散均匀后涂覆于Al箔集流体上,再在110℃下真空干燥8h,得到铌酸钛负极,Al箔集料体上极片负载为3.2±0.5mg/cm2
根据上述制备方法,使用实施例1~6制得的氮化钛包覆的铌酸钛材料进行铌酸钛负极制备,得到实施例7A~7F。实施例7A~7F使用氮化钛包覆的铌酸钛材料来源如表四所示。
对实施例7A~7F所得的铌酸钛负极进行容量性能测试。
[容量性能测试]
负极极片裁剪尺寸为8cm*8cm。碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)按体积比1∶1混合,并加入LiTFSI,配制得到1mol/LLiTFSI的EC-DMC溶液,以作为电解液。同时选用锂金属作对电极,PE-PP-PE隔膜纸作为电池隔膜,在手套箱中进行组装,得到纽扣电池。
对纽扣电池进行1C恒倍率充放电,计算铌酸钛负极的首次比容量以及循环200圈后比容量,结果如表四所示。
表四.实施例7A~7F制得负极的容量性能测试结果
Figure BDA0002079315270000071
实施例8,
一种铌酸钛负极的锂离子电池,使用实施例7制得的铌酸钛负极进行制备,其制备方法:
负极极片裁剪尺寸为8cm*8cm。碳酸乙烯酯(EC)和碳酸二甲酯(DMC)按体积比1∶1混合,并加入LiTFSI,配制得到1mol/LLiTFSI的EC-DMC溶液,以作为电解液。同时选用锂金属作对电极,PE-PP-PE隔膜纸作为电池隔膜,在手套箱中进行组装,得到纽扣电池。
根据上述制备方法,使用实施例7制得的氮化钛包覆的铌酸钛材料进行铌酸钛负极制备,得到实施例8A~8F。实施例8A~8F使用氮化钛包覆的铌酸钛材料来源如表五所示。
对实施例8A~8F所得的铌酸钛负极进行循环性能测试。
[循环性能测试]
对实施例8A~8F得到的锂离子电池在25℃恒温条件中进行1C充放电,1000圈后计算容量保持率,其中容量保持率越高代表循环性能越好,测试结果如表五所示。
表五.实施例8A~8F所得的锂离子电池循环性能测试结果
实施例 铌酸钛负极 1000圈后容量保持率/%
8A 实施例7A 81
8B 实施例7B 87
8C 实施例7E 92
8D 实施例7D 91
8E 实施例7E 91
8F 实施例7F 79
实施例9~11,
一种氮化钛包覆的铌酸钛材料,与实施例1~6相似,其区别之处在于金属氢化物为氢化钙,其制备方法如下,
S1:将纳米铌酸钛颗粒与片状钠米氢化锂颗粒按质量1∶0.05~1∶0.2混合均匀,得到混合原料;
S2:将混合原料置于氮气气氛下加热至675~695℃进行高温表面处理,高温表面处理时间5~6h,得到改性纳米铌酸钛颗粒;
S3:将改性纳米铌酸钛颗粒在950~1000℃下高温真空烧结8~10h,得到氮化钛包覆的铌酸钛材料。
根据上述内容及制备方法进行氮化钛包覆的铌酸钛材料的制备,得到实施例9~11,此处实施例9~11制得氮化钛包覆的铌酸钛材料为粉体粉末,实施例9~11具体参数如表六所示。同时对实施例9~11制得氮化钛包覆的铌酸钛材料粉末压紧成片后,经过四探针电阻测试其对应的电导率,电导率测试结果如表六所示。
表六.实施例9~11中制备方法的具体参数表以及电导率
Figure BDA0002079315270000081
实施例12,
一种铌酸钛负极,使用实施例9~11制得的氮化钛包覆的铌酸钛材料,根据实施例7中铌酸钛负极制备方法制备,得到实施例12A~12C。实施例12A~12C使用氮化钛包覆的铌酸钛材料来源如表七所示。
对实施例12A~12F所得的铌酸钛负极进行容量性能测试。
表七.实施例12A~12C制得负极的容量性能测试结果
Figure BDA0002079315270000082
实施例13,
一种铌酸钛负极的锂离子电池,使用实施例12制得的铌酸钛负极进行制备,根据实施例8制备方法进行制备,得到实施例13A~13C。实施例13使用氮化钛包覆的铌酸钛材料来源如表五所示。
对实施例13A~13C所得的铌酸钛负极进行循环性能测试,测试结果如表八所示。
表八.实施例13A~13C所得的锂离子电池循环性能测试结果
实施例 铌酸钛负极 1000圈后容量保持率/%
13A 实施例12A 69
13B 实施例12B 75
13C 实施例13C 64
对比例2,
一种铌酸钛负极材料,其制备方法如下:
称取铌酸钛材料、炭黑、聚偏氟乙烯(PVDF),按质量比氮化钛包覆的铌酸钛材料:炭黑:PVDF=17∶1∶2(85∶5∶10)加入N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,混合待分散均匀后涂覆于Al箔集流体上,再在110℃下真空干燥8h,得到铌酸钛负极,Al箔集料体上极片负载为3.2±0.5mg/cm2
其中铌酸钛材料成分为TixNbyO2x+2.5y(0.1≤x≤1,1≤y≤2),纯度99.8wt%,粒度为50nm,为现有市售产品。
对比例3,
一种铌酸钛负极的锂离子电池,使用对比例2制得的铌酸钛负极,根据实施例7中记载的制备方法制备,得到锂离子电池。
对对比例3制得的锂离子电池进行容量性能测试和循环性能测试,得到对比例2制得负极的容量性能和对比例3制得锂离子电池的循环性能,测试结果如表九所示。
表九.对比例2的负极的容量性能、对比例3的锂离子电池的循环性能测试结果
Figure BDA0002079315270000091
对比表一、表六和表九可知,较对比例1中现有的铌酸钛材料而言,本申请中氮化钛包覆的铌酸钛材料的电导率得到提升,且本申请制备方法中金属氢化物选用氢化锂对铌酸钛材料的电导率提升效果优于金属氢化物选用氢化钙。
对比表四、表七和表九可知,本申请中氮化钛包覆的铌酸钛材料按相同步骤制得的铌酸钛负极其首次比容量、200圈后比容量、比容量保持率均优于现有的未处理的铌酸钛材料,故而本申请的外包覆氮化钛的铌酸钛材料制得的负极,其电导率和容量得到提升,并且阻抗降低。
通过对比表五、表八和表九可知,本申请的铌酸钛材料负极制得的锂离子电池,其能量密度和循环性能均优于使用普通的铌酸钛负极的锂离子电池。同时其中使用氢化锂作为金属氢化物较使用氢化钙而言,其负极的电导率和容量,锂离子电池的循环性能可得到进一步的提高。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释,其并不是对本发明的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种氮化钛包覆的铌酸钛材料,其特征在于,其由改性纳米铌酸钛颗粒烧结得到,所述改性纳米铌酸钛颗粒分为内核和包覆在内核外的壳层,所述内核成分为铌酸钛,所述壳层成分包括氮化钛。
2.根据权利要求1所述的一种氮化钛包覆的铌酸钛材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤,
S1:将纳米铌酸钛颗粒与纳米金属氢化物颗粒按质量1:0.05~1:0.2混合均匀,得到混合原料;
S2:将混合原料置于氮气气氛、500~800℃下,进行高温表面处理,高温表面处理时间为5~6 h,高温处理后待其冷却,得到改性纳米铌酸钛颗粒;
S3:将改性纳米铌酸钛颗粒在950~1000℃下高温烧结8~10 h,得到氮化钛包覆的铌酸钛材料。
3.根据权利要求2所述的一种氮化钛包覆的铌酸钛材料的制备方法,其特征在于,所述金属氢化物为氢化锂、氢化钙中的一种。
4.根据权利要求3所述的一种氮化钛包覆的铌酸钛材料的制备方法,其特征在于,所述金属氢化物为氢化锂。
5.根据权利要求4所述的一种氮化钛包覆的铌酸钛材料的制备方法,其特征在于,S2中氮气气氛下高温表面处理的温度为680~700℃。
6.根据权利要求5所述的一种氮化钛包覆的铌酸钛材料的制备方法,其特征在于,所述纳米铌酸钛颗粒和金属氢化物颗粒的粒度之比为1:0.1~1:0.3,所述金属氢化物颗粒呈片状。
7.一种铌酸钛负极,其特征在于,使用权利要求1所述的氮化钛包覆的铌酸钛材料制得。
8.一种锂离子电池,其特征在于,使用权利要求7所述的铌酸钛负极。
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KR100753037B1 (ko) * 2006-02-28 2007-08-30 주식회사 하이닉스반도체 캐패시터 및 캐패시터 제조 방법
JP6523115B2 (ja) * 2015-09-16 2019-05-29 株式会社東芝 電池用活物質、負極、非水電解質電池、電池パック及び車
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CN106356511A (zh) * 2016-10-24 2017-01-25 哈尔滨工业大学 一种高性能掺氮包碳的铌酸钛材料的制备方法及其在锂离子电池中的应用

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