[发明专利]一种碳/焦磷酸钛复合材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种碳/焦磷酸钛复合材料的制备方法，包括：步骤一：制备聚苯乙烯‑丙烯酸胶体水分散液，备用；步骤二：室温下，将十六烷基三甲基溴化铵与聚苯乙烯‑丙烯酸胶体水分散液在搅拌下加入到乙醇中，形成均匀分散液；接着，向其中依先后滴加钛酸四丁酯和磷酸，持续搅拌10～30min；步骤三：将步骤二所得的混合物在70～90℃硅油浴下磁力搅拌加热，进行溶胶凝胶反应，直至乙醇蒸发完全，得到白色固体；步骤四：将步骤三所得的固体在高纯氩气保护下，按照1～5℃/min的速度从室温升至700～800℃，并在700～800℃下高温热处理4～6h，之后冷却至室温，得到黑色产物，即得碳/焦磷酸钛复合材料成品。本发明方法制备的碳/焦磷酸钛复合材料具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及水性锂离子电池电极材料制备技术领域，尤其涉及一种碳/焦磷酸钛复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池具有能量密度、工作电压高等优点，已经普遍应用于各种电子设备和仪器仪表（Chem. Soc. Rev., 2015, 44, 5926-5940.）。但传统的有机系锂离子电池存在安全系数低、环境污染重、成本较高等缺陷。近年，发展起来的水性锂离子电池通过使用水性电解液代替有机电解液克服了传统有机锂离子电池的这些缺陷，已成为一种极具发展潜力的新型化学电源（Adv. Energy Mater., 2012, 2, 830-840.）。与其他的化学电源相似，水性锂离子电池的电池容量及综合性能也受制于电极材料的种类、结构和性质。目前，尖晶石LiMn₂O₄、层状LiCoO₂、层状LiNiO₂、LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂、橄榄石LiFePO₄、MnO₂是最为典型的正极材料。钒的氧化物例如VO₂、LiV₃O₈、Li_xV₂O₅、V₂O₅, 以及NASICON 型钛的多磷酸盐及其锂盐例如TiP₂O₇、LiTi₂(PO₄)₃是最为典型的负极材料（Adv. Energy Mater., 2012, 2, 830-840.；J. Power Sources, 2015, 274, 237-251）。

其中，焦磷酸钛（TiP₂O₇）自2007年被首次提出以来，已被认为是一种非常有前景的水性锂离子电池负极材料，吸引了工业界和学术界的广泛兴趣。这种材料作为一种多阴离子化合物，具有类似于NaCl型的立方结构，其中TiO₆八面体和P₂O₇双四面体通过顶角连接。这种开放的多阴离子网络有利于锂离子的快速迁移，从而使焦磷酸钛具有不错的电化学活性和热稳定性。然而，焦磷酸钛通常具有比较低的电子导电率，导致其循环稳定性和倍率性能较差（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 8075−8082）。

将焦磷酸钛与碳结合形成碳/焦磷酸钛复合材料，改善其导电率，已成为提高焦磷酸钛电化学性能的一种可行方法（Solid State Ionics 2013, 249−250, 72−77.；J.Mater. Chem. A 2016, 4 (35), 13390−13394.；J. Electrochem. Soc. 2015, 162 (9),A1921−A1926.；Electrochim. Acta 2012, 75, 247−253.）。用于碳/焦磷酸钛复合材料制备的碳源主要是蔗糖、石墨、石墨烯等单一物质，它们的功能较为单一，且性能提升幅度有限。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种电化学性能优良的碳/焦磷酸钛复合材料及其制备方法。