[发明专利]碳化钛/碳核壳纳米线阵列负载氮掺杂钛酸锂复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种碳化钛/碳核壳纳米线阵列负载氮掺杂钛酸锂复合材料及其制备方法和应用，该方法包括：利用原子层沉积技术在钛网上生长三氧化二铝；利用化学气相沉积技术在钛网上生长碳化钛/碳核壳纳米线核壳阵列(TiC/C)；再将碳化钛/碳核壳纳米线阵列复合材料置于溶液中进行水热反应，之后进行洗涤、干燥和煅烧，得到LTO@TiC/C；最后利用氨气掺氮技术对LTO@TiC/C复合阵列掺氮得到N‑LTO@TiC/C。该构建的复合材料作为锂离子电池负极材料具有优异的高倍率性能和超长的循环寿命。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种碳化钛/碳核壳纳米线阵列负载氮掺杂钛酸锂复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

进入21世纪以来，能源和环境问题日益严峻，绿色能源的开发也日益得到重视。为了实现高能量转换效率与能量密度，发展高性能电化学储能技术已成为当今研究的重点。锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点，已广泛应用于便携式电子设备(如手机、数码照相机、摄像机、笔记本电脑等)和电动工具等领域，并且逐步向电动自行车、电动汽车、新能源储能等领域拓展。然而，现在商业化的石墨负极因为低的离子与电子传输效率，并不能满足这个需求。因此，急需开发一种具有超快速充放电性能的锂离子电池负极材料。

在锂离子电池负极材料中，与石墨负极相比，以Li₄Ti₅O₁₂为负极的电池安全性能更好。钛酸锂具有1.55V的充放电平台，可以有效避免SEI膜以及锂枝晶的形成，提高安全性能。钛酸锂的储锂过程是通过Li₄Ti₅O₁₂与Li₇Ti₅O₁₂之间的相转变完成的，理论容量为175mAhg^-1。相转变过程中体积膨胀率仅为0.2％，所以被称为零应变材料，因此具有极好的循环稳定性与高倍率性能。但是，较低的电子导电率以及离子迁移率限制了其在大电流下的应用。所以，如何提高钛酸锂的电子导电率以及离子迁移率是其作为锂离子电池负极材料应用亟待解决的关键科学问题。

目前，通过将钛酸锂纳米化或者与其他导电材料复合是提高其电子导电率以及离子迁移率的有效途径。一般与其复合的导电材料为碳材料或其他电导率高的材料，特别是阵列结构材料。这些阵列为钛酸锂提供一个导电骨架，提高了整个电极电子导电率，从而改善高倍率性能。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种碳化钛/碳核壳纳米线阵列负载氮掺杂钛酸锂复合材料及其制备方法和应用，该电极材料用于锂离子电池负极材料时，具有优异的高倍率性能和循环稳定性。

一种碳化钛/碳核壳纳米线阵列负载氮掺杂钛酸锂复合材料的制备方法，钛酸锂纳米片均匀地覆盖在碳化钛/碳纳米线阵列上，然后，通过氨气掺氮，得到碳化钛/碳核壳纳米线阵列负载氮掺杂钛酸锂复合材料。

本发明通过以钛网负载碳化钛/碳核壳纳米线阵列(TiC/C)为导电骨架，水热法所得的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂,LTO)纳米片均匀地覆盖在碳化钛/碳核壳纳米线阵列上，通过氨气掺氮得到N-LTO@TiC/C核壳阵列电极材料，从而获得超长的循环寿命和优异的高倍率性能。

一种碳化钛/碳核壳纳米线阵列负载氮掺杂钛酸锂复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用原子层沉积(ALD)技术在钛网上生长一层Al₂O₃，得到负载Al₂O₃的钛网；

(2)利用化学气相沉积(CVD)技术在步骤(1)所得负载Al₂O₃的钛网上生长碳化钛/碳核壳纳米线阵列，得到碳化钛/碳核壳纳米线阵列复合电极材料；