[发明专利]碳掺杂氧化钛纳米管阵列锂电池阳极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳掺杂氧化钛纳米管阵列锂电池阳极材料的制备方法，属于锂电池技术领域。 

背景技术

随着石油煤炭等能源逐渐的枯竭，环境和能源问题制约着人类的快速发展。新型储能系统的需求日益增大。相比传统的能量存储系统,如铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池,锂离子电池有着高能量存储密度、污染少，电压高、循环寿命长、无记忆效应等显著优点。 

许多先进的锂离子电池负极材料,例如硅，具有较高的理论容量值为4200 mAh/g,但在锂离子脱嵌过程中，易引起大的体积变化导致活性物质从电极脱落。此外,广泛使用的商业材料石墨,因其操作电压太低，易形成固态电解质界面,容易引起安全问题和能力损失。而用氧化钛作为锂电池负极材料，有着价格低，含量高，体积变化小（小于4%），高放电电压平台，循环性能好等优点，引起了广泛的研究。 

然而，氧化钛有着较宽的禁带宽度（3.0～3.2ev），电子导电性差，不利于Li离子的脱嵌，制约了其实际应用。近年来相关报道表明，利用电沉积、水热法、气相沉积等方法可以负载Ag、Cu等金属或或掺杂C、N等非金属减低氧化钛纳米管的禁带宽，显著的提高了锂电池的充放电容量，减少了充放电时间。以上方法，工序多且复杂，对实验设备要求也高，生产成本昂贵，不利于实际生产应用。 

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种碳掺杂氧化钛纳米管阵列锂电池阳极材料的制备方法，利用醇溶液在高温退火过程中热分解，碳原子取代氧化钛晶格中部分Ti原子，形成Ti-O-C结构，从而达到减少禁带宽度的目的，提高材料的电子导电率，操作简单，锂电池性能明显改善。 

本发明的技术方案具备包括以下步骤： 

（1）阳极氧化制备氧化钛纳米管阵列：将纯钛片表面清洗处理干净，在恒电压的作用下，纯钛片接正极、铂片接负极，然后置于含可溶解氟盐的水溶液或有机溶液中阳极氧化，最后将纯钛片清洗干净后干燥，即得到氧化钛纳米管阵列；

（2）电解液热分解反应制备碳掺杂氧化钛纳米管阵列：将氧化钛纳米管阵列在有机溶剂中加热超声处理，随后将样品进行退火，经过如上反复多次的加热超声处理和退火处理后得到碳掺杂的氧化钛纳米管阵列。反复多次的加热超声处理和退火处理是为了增加氧化钛中碳的含量，氧化钛中碳含量范围为9.0%～27.5%。

所述纯钛片为钛箔、钛带、钛板均可。 

所述纯钛片表面清洗处理是依次采用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗后化学抛光。

所述含可溶解氟盐的水溶液为含NaF、KF或NH₄F的H₃PO₄、Na₂SO₄、(NH₄)₂SO₄或K₂SO₄的水溶液，其中含可溶解氟盐的水溶液中NaF、KF或NH₄F的浓度为0.2～0.5mol/L、H₃PO₄、Na₂SO₄、(NH₄)₂SO₄或K₂SO₄的浓度为0.1 ～1mol/L。 

所述的有机溶液为醇类、胺类或砜类。 

所述醇类为优选为乙二醇、丙三醇或二甘醇，铵类为甲酰胺、砜类为二甲基亚砜。

所述阳极氧化电压为20～60V，氧化时间为1～3小时。 

所述超声功率为20～60W，超声时间为5分钟～10分钟，加热温度为40～80℃。 

所述退火温度为200～600℃，退火过程中每分钟升温1～5℃，保持1～3小时。 

本发明所用的原材料以纯Ti片为主（纯度99.99%），主要设备为直流稳压电源，本发明制备的碳掺杂的氧化钛纳米管阵列作为锂电池阳极材料显示出了良好的电化学性能：在相同的电流密度下，碳掺杂的氧化钛纳米管阵列锂电池的充放电容量得到明显的提高；在相同的测试条件下，碳掺杂的氧化钛纳米管阵列锂电池的电化学阻抗有了显著的减小。 

本发明的优点和积极效果：利用阳极氧化、热分解方法制备出碳掺杂氧化钛纳米管阵列阳极材料，该方法对设备要求低，操作简单，成本低，在锂离子二次电池中表现出了良好的电化学性能，有利于氧化钛负极材料工业化生产应用。 

附图说明