[发明专利]应用于锂离子电池的碳掺杂二氧化钛/碳化钛纳米复合物的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种纳米复合材料的制备方法。

背景技术

近些年来，随着科学技术的不断发展，在日常生活中，便携式电子设备及电动自行车等使用越来越普遍，锂离子电池在这些设备中广泛应用，而电动汽车的需求，则对锂离子电池性能特别是安全性能和倍率性能提出了更高的要求。正负极电极材料是决定锂离子电池性能的关键因素，必须发展具有高安全性，高倍率性能电极材料。过渡金属氧化物被认为是一种非常有潜力的锂离子电池负极材料，已经引起了人们的广泛关注和研究，其中二氧化钛(TiO₂)由于其价格低廉、储量丰富、无毒、安全性高等优点，成为最有发展潜力的锂离子电池负极材料之一，与传统的石墨负极材料相比较，在Li⁺的嵌入/脱出过程中，TiO₂的体积变化很小，具有非常优异的循环稳定性，是锂离子电池理想的负极材料。但是，TiO₂存在两大主要缺点，1、电导率比较低，2、锂离子在材料中的扩散速率较低等，严重限制了TiO₂在锂离子电池负极材料中的实际应用。研究表明减小TiO₂晶粒尺寸，例如将材料制成一维纳米结构(如纳米线)与其他结构相比可缩短Li⁺的扩散距离，更有利于Li⁺的扩散，提高Li⁺扩散速率；另一方面，通过杂原子掺杂可以有效地提高TiO₂的电子电导率和离子电导率，从而提高其电化学性能。此外，将TiO₂与导电性良好的材料进行复合从而提高材料的电化学性能(Liu H,Li W,Shen D,et al.Graphitic Carbon Conformal Coating of Mesoporous TiO₂Hollow Spheres for High-Performance Lithium Ion Battery Anodes[J].Journal of the American Chemical Society.2015,137(40):13161-13166)。相对于其他方法，单纯掺杂仅能提高材料的离子电导率，提高电子电导率效果有限，而对于只与其他材料进行复合虽然能够提高材料的电子电导率，但对改善离子电导率却无能为力。综上，单独的搀杂或单独的复合无法同时解决离子电导和电子电导两大问题。而本发明综合了两种方法的优点，制备的碳掺杂TiO₂/TiC纳米复合材料能够同时改善材料的电子电导率和离子电导率，并且无需额外的掺杂过程，简化了实验步骤，使材料的电化学性能有了很大提高。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种方法简单、能实现自身碳掺杂、提高材料离子电导性及电子电导性的应用于锂离子电池的碳掺杂二氧化钛/碳化钛纳米复合物的制备方法。

本发明的方法通过下述步骤实现：

(1)将碳化钛(TiC)置于坩埚中，放入马弗炉里进行热处理，在空气气氛下，升温速率为1℃/min，从室温一直升到600℃然后保温10h，使绝大多数TiC转化成TiO₂，得到碳掺杂的TiO₂/TiC块体复合物；

(2)按每100mL NaOH溶液加入1-2g的碳掺杂TiO₂/TiC复合物的比例，将步骤(1)碳掺杂TiO₂/TiC复合物与浓度为10mol/L的NaOH溶液混合，磁力搅拌2h，将混合好的液体倒入反应釜中拧紧，然后进行水热反应，120-180℃保温12-48h；

(3)将步骤(2)水热反应后的产物用浓度为1mol/L的盐酸溶液进行充分酸洗，将酸洗后的溶液进行抽滤，用去离子水洗涤数次直至中性，然后将产物放入真空干燥箱中100℃干燥12h，得到前驱体钛酸/碳化钛复合物；

(4)将步骤(3)的前驱体钛酸/碳化钛复合物置于坩埚，放入马弗炉里，在空气气氛下，升温速率为1℃/min，在300-600℃温度下保温3h，得到碳掺杂TiO₂/TiC纳米复合材料。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明结合了掺杂、复合及纳米化技术于一体，能够有效调控电极材料的离子电导和电子电导性。

2、由于起始原料为碳化钛，在氧化过程中可实现二氧化钛的碳掺杂，不必再进行多余碳掺杂步骤，简化了掺杂过程。