CN110563037B - 一种五氧化二铌纳米带的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种五氧化二铌纳米带的制备方法，包括以下步骤：1)将五氯化铌和氨水混合均匀，得到混合液；2)将混合液加入水热反应釜，进行水热反应，冷却，得到水热反应产物；3)对水热反应产物进行固液分离，再对分离得到的固体产物进行洗涤、干燥和煅烧。本发明通过水热法制备五氧化二铌纳米带，操作简单、产量高、耗时短，可以极大地提高生产效率，有助于推动五氧化二铌纳米带的大规模生产和大面积推广应用。

Description

一种五氧化二铌纳米带的制备方法
技术领域
本发明涉及一种五氧化二铌纳米带的制备方法，属于无机纳米材料技术领域。
背景技术
锂离子电池具有高的输出电压以及大的体积能量密度和功率密度，且自放电率小、循环使用寿命长、无毒环保、比容量高，是目前最重要和最先进的二次电池，成为了便携式电子产品的主要能源供应方式。
然而，锂离子电池大多也会存在一定的安全隐患，主要是因为锂离子电池在使用过程中可能会生成锂枝晶而刺穿电池隔膜，造成电池内部短路，最终导致灾难性事故。
钛酸锂(Li4Ti5O12)和五氧化二铌(Nb2O5)是两种比较常见的电极材料，可以有效避免锂枝晶的生成，具有很好的应用前景。
钛酸锂具有较高的电压平台(1.7V)，能够避免锂枝晶的生成，且具有较高的理论比容量(175mAh/g)和实际容量(160mAh/g)，循环性能和倍率性能好，已经成为商业化的电极材料，但由于钛酸锂中含有金属锂，其生产制造成本高，限制了其大规模应用。
五氧化二铌具有较高的嵌脱锂电位(1.2～1.8Vvs.Li/Li+)，高于固体电解质界面(SEI)膜的反应形成电位(0.75V)，可以抑制锂枝晶的形成，具有较好的安全性，且理论容量达到201mAh/g，高于钛酸锂，是一种理想的锂离子电池负极材料，但五氧化二铌的导电性差，倍率性能仍有待提高。
纳米带状结构的五氧化二铌有利于缩短锂离子的扩散距离，从而能够在保证安全性能的前提下显著提高其倍率性能，是一种安全性能好、倍率性能高的动力锂离子电池负极材料，但现有的五氧化二铌纳米带制备方法普遍存在操作繁琐、产量低、耗时长等缺陷，限制了五氧化二铌纳米带的大规模生产和大面积应用。
因此，有必要开发一种操作简单、产量高、耗时短的五氧化二铌纳米带制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种五氧化二铌纳米带的制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种五氧化二铌纳米带的制备方法，包括以下步骤：
1)将五氯化铌和氨水混合均匀，得到混合液；
2)将混合液加入水热反应釜，进行水热反应，冷却，得到水热反应产物；
3)对水热反应产物进行固液分离，再对分离得到的固体产物进行洗涤、干燥和煅烧，得到五氧化二铌纳米带。
优选的，步骤1)所述五氯化铌、氨水的质量体积比为(0.1～1)g：(40～60)mL。
优选的，步骤1)所述氨水的质量百分浓度(w/w)为15％～25％。
优选的，步骤2)所述水热反应的温度为160～200℃，时间为9～18h。
优选的，步骤2)所述水热反应釜为聚四氟乙烯或玻璃内衬的高温高压反应釜。
优选的，步骤3)所述洗涤为用去离子水和无水乙醇先后洗涤多次。
优选的，步骤3)所述干燥的温度为50～70℃，时间为5～48h。
优选的，步骤3)所述煅烧的温度为450～600℃，时间为0.5～2h。
优选的，步骤3)所述煅烧在马弗炉中进行。
本发明的有益效果是：本发明通过水热法制备五氧化二铌纳米带，操作简单、产量高、耗时短，可以极大地提高生产效率，有助于推动五氧化二铌纳米带的大规模生产和大面积推广应用。
附图说明
图1为实施例1中的五氧化二铌纳米带的SEM图。
图2为实施例1中的五氧化二铌纳米带的X射线衍射图。
图3为实施例1中的五氧化二铌纳米带的充放电性能测试曲线。
图4为实施例1中的五氧化二铌纳米带的循环性能测试曲线。
图5为对比例1中的五氧化二铌纳米带的SEM图。
图6为对比例2中的五氧化二铌纳米片的SEM图。
图7为对比例3中的五氧化二铌纳米带的SEM图。
图8为对比例4中的五氧化二铌纳米带的SEM图。
图9为对比例5中的五氧化二铌纳米片的SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
实施例1：
一种五氧化二铌纳米带，其制备方法包括以下步骤：
1)将0.5g五氯化铌和60mL质量百分浓度(w/w)为25％的氨水混合，搅拌30min，得到混合液；
2)将混合液加入水热反应釜(金属壳体，聚四氟乙烯内衬)，再将反应釜拧紧后放入恒温箱中，180℃反应12h，反应完毕后自然冷却至室温，得到水热反应产物；
3)对水热反应产物进行固液分离，再用去离子水和无水乙醇清洗分离得到的固体产物3次，再置于恒温箱中60℃烘24h，再置于马弗炉中500℃煅烧1h，得到五氧化二铌纳米带。
性能测试：
五氧化二铌纳米带的SEM图如图1(左为低倍照片，右为高倍照片)所示，X射线衍射图如图2所示，充放电性能测试曲线如图3(五氧化二铌纳米带为工作电极，锂片为对电极，组装成锂离子电池)所示，循环性能测试曲线如图4(20次循环)所示。
由图1可知：五氧化二铌纳米带均匀分布，长度大于3μm，宽度几十纳米，厚度十几纳米，纳米带由纳米片组成。
由图2可知：五氧化二铌纳米带的衍射面的峰均与五氧化二铌标准PDF卡(PDF#27-1312)JCPDF对应，表明产物结晶良好。
由图3可知：首次放电比容量达到252.3mAh/g，首次充电比容量达到215.9mAh/g，明显优于传统材料，表明五氧化二铌纳米带具有良好的电池性能。
由图4可知：电池容量比较平稳，首次放电比容量为252.3mAh/g，经过20次循环容量为202.8mAh/g，表明五氧化二铌纳米带具有良好的循环稳定性。
实施例2：
一种五氧化二铌纳米带，其制备方法包括以下步骤：
1)将1g五氯化铌和60mL质量百分浓度(w/w)为25％的氨水混合，搅拌30min，得到混合液；
2)将混合液加入水热反应釜(金属壳体，聚四氟乙烯内衬)，再将反应釜拧紧后放入恒温箱中，160℃反应18h，反应完毕后自然冷却至室温，得到水热反应产物；
3)对水热反应产物进行固液分离，再用去离子水和无水乙醇清洗分离得到的固体产物3次，再置于恒温箱中70℃烘5h，再置于马弗炉中450℃煅烧2h，得到五氧化二铌纳米带。
经测试，五氧化二铌纳米带均匀分布，长度大于3μm，宽度几十纳米，厚度十几纳米，纳米带由纳米片组成，五氧化二铌纳米带具有良好的充放电性能和循环性能。
实施例3：
一种五氧化二铌纳米带，其制备方法包括以下步骤：
1)将0.1g五氯化铌和40mL质量百分浓度(w/w)为15％的氨水混合，搅拌30min，得到混合液；
2)将混合液加入水热反应釜(金属壳体，聚四氟乙烯内衬)，再将反应釜拧紧后放入恒温箱中，200℃反应9h，反应完毕后自然冷却至室温，得到水热反应产物；
3)对水热反应产物进行固液分离，再用去离子水和无水乙醇清洗分离得到的固体产物3次，再置于恒温箱中50℃烘48h，再置于马弗炉中600℃煅烧0.5h，得到五氧化二铌纳米带。
经测试，五氧化二铌纳米带均匀分布，长度大于3μm，宽度几十纳米，厚度十几纳米，纳米带由纳米片组成，五氧化二铌纳米带具有良好的充放电性能和循环性能。
对比例1：
参照实施例1的方法，将步骤1)中混合液的组成调整为0.3g五氯化铌和60mL质量百分浓度(w/w)为12％的氨水，其余保持不变，制备得到五氧化二铌纳米带，其SEM图如图5(左为低倍照片，右为高倍照片)所示。
由图5可知：对比实施例1，五氧化二铌纳米带的长度明显变短，表明氨水的质量分数对产物的最终结构有着至关重要的影响。
对比例2：
参照实施例1的方法，将步骤2)中的反应时间调整为1h，其余保持不变，制备得到五氧化二铌纳米片，其SEM图如图6(左为低倍照片，右为高倍照片)所示。
由图6可知：纳米片结构刚刚形成，还没有长出纳米带结构，表明纳米带生长需要一定的反应时间。
对比例3：
参照实施例1的方法，将步骤2)中的反应时间调整为6h，其余保持不变，制备得到五氧化二铌纳米带，其SEM图如图7(左为低倍照片，右为高倍照片)所示。
由图7可知：对比实施例1，纳米带的长度明显短许多，表明缩短反应时间一方面影响了纳米带的形成，另一方面也限制了纳米带的进一步生长，反应时间对于最终结构有着至关重要的影响。
对比例4：
参照实施例1的方法，将步骤2)中的反应时间调整为48h，其余保持不变，制备得到五氧化二铌纳米带，其SEM图如图8(左为低倍照片，右为高倍照片)所示。
由图8可知：纳米带中含有大量的纳米片，表明反应时间过长，纳米片过度生长。
对比例5：
参照实施例1的方法，将步骤2)中的反应温度调整为240℃，其余保持不变，制备得到五氧化二铌纳米片，其SEM图如图9(左为低倍照片，右为高倍照片)所示。
由图9可知：大量纳米片粘连在一起，表明反应温度过高，纳米片过度生长十分严重，无法形成五氧化二铌纳米带。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种五氧化二铌纳米带的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将五氯化铌和氨水混合均匀，得到混合液；
2)将混合液加入水热反应釜，进行水热反应，冷却，得到水热反应产物；
3)对水热反应产物进行固液分离，再对分离得到的固体产物进行洗涤、干燥和煅烧，得到五氧化二铌纳米带；
步骤1）所述五氯化铌、氨水的质量体积比为（0.1～1）g：（40～60）mL；
步骤1）所述氨水的质量百分浓度为15%～25%；
步骤2）所述水热反应的温度为160～200℃，时间为9～18h；
步骤3）所述煅烧的温度为450～600℃，时间为0.5～2h。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2）所述水热反应釜为聚四氟乙烯或玻璃内衬的高温高压反应釜。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3）所述洗涤为用去离子水和无水乙醇先后洗涤多次。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于：步骤3）所述干燥的温度为50～70℃，时间为5～48h。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3）所述煅烧在马弗炉中进行。
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