[发明专利]一种高容量TiO2-VO2掺杂中空碳纳米纤维锂电池负极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高容量TiO2‑VO2掺杂中空碳纳米纤维锂电池负极材料，包括中空碳纳米纤维以及包覆于所述中空碳纳米纤维外表面的TiO2和VO2纳米颗粒；所述TiO2纳米颗粒的含量为10～80.0wt％，所述VO2纳米颗粒的含量为0.1～20.0wt％，余量为中空碳纳米纤维；本发明还公开了该负极材料的制备方法，本发明的高容量TiO2‑VO2掺杂中空碳纳米纤维锂电池负极材料，具有多级孔结构和高负载量，有利于电解液渗透入负极材料，同时有利于锂离子的嵌入和电子的传输；提高了负极材料的电导率、比容量和稳定性，使其具备优异的倍率性能和循环性能。

技术领域

本发明涉及锂电池负极材料领域，尤其涉及一种高容量TiO2-VO2掺杂中空碳纳米纤维锂电池负极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池是一种新型的绿色化学电源，与传统的镍镉电池、镍氢电池相比具有电压高、寿命长、能量密度大的优点。自1990年日本索尼公司推出第一代锂离子电池后，它已经得到迅速发展并广泛应用于各种便携式设备，涉及到3C产品、动力装置、储能设备等领域。由于新能源汽车的蓬勃发展，对动力电池的需求越来越大，动力电池的基础是具有优异充放电性能的负极材料。

目前，负极材料则选自碳系材料、钛酸锂、氧化硅、纳米硅颗粒及纳米合金中的一种或几种，商业化的主要是石墨，但石墨电极由于存在锂晶枝的生长问题，电池安全隐患较大，且溶剂共嵌和脱嵌锂过程中的晶格膨胀容易导致石墨片层剥离和脱落，导致循环过程中的容量衰减，从而限制了其使用寿命。因此，众多的科研工作者致力于开发新型的负极材料，解决锂枝晶生长和容量衰减的弊端。钛基材料，如单斜晶系的TiO2和锐钦矿型的TiO2，理论容量可达335mAh/g，体积膨胀小(<3％)，具有独特的的快速充放电性能和环境友好性。TiO2型负极材料最大的优势是电压平台较高，高于生成锂枝晶的截止电压，所W以TiO2型负极材料能从根本上解决锂晶枝的生成问题。但是，TiO2型负极材料的电子电导率低(10-13～10-17S/cm)导致实际脱嵌锂过程倍率性能和嵌入动力学较低。此外，单一的纳米材料比表面积大，但表面悬键等不饱合键多，导致表面能较大。纳米颗粒在反复充放电的过程中，纳米颗粒间容易相互团聚，导致TiO2与导电剤的分散不均，切断了电子的有效传输途径。

因此，现有的TiO2型负极材料还有很多缺陷，有必要提供一种能够增加材料比表面积和比容量的TiO2型负极材料及其制备方法。

发明内容

为了克服TiO2型负极材料的弊端，本发明借助纳米结构的调控和活性物质掺杂来増加材料比表面积和比容量。

制备TiO2/碳复合结构是解决TiO2型负极材料弊端的有效途径。本发明采用同轴静电纺丝法，即通过表面修饰或表面功能化，将TiO2颗粒或TiO2纳米涂层修饰在多孔中空碳纳米纤维的表面，是高通量制备多孔碳基底材料的重要方法，负载量可控范围更宽。更重要的是同轴静电纺丝法借助其由里外两个通道组成的同轴喷头(内通道灌注核层溶液，外通道灌注壳层溶液，两股溶液一般不互溶)，通过控制纺丝装置的操作参数，可以进一步纺制出具有核-壳结构的纳米纤维。

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种高容量TiO2-VO2掺杂中空碳纳米纤维锂电池负极材料及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明公开了一种高容量TiO2-VO2掺杂中空碳纳米纤维锂电池负极材料，包括中空碳纳米纤维以及包覆于所述中空碳纳米纤维外表面的TiO2和VO2纳米颗粒；所述TiO2纳米颗粒的含量为10～80.0wt％，所述VO2纳米颗粒的含量为0.1～20.0wt％，余量为中空碳纳米纤维。

优选地，所述TiO2纳米颗粒的含量为50～70.0wt％，所述VO2纳米颗粒的含量为1.0～10.0wt％，余量为中空碳纳米纤维。

优选地，所述TiO2纳米颗粒的粒径为1～90nm，所述VO2纳米颗粒的粒径为1～100nm。