[发明专利]纳米金刚石与二氧化钛空心球复合电极材料及制备方法

说明书

本发明的纳米金刚石与二氧化钛空心球复合电极材料及制备方法属于锂离子电池负极材料的技术领域，其特征是，二氧化钛呈空心球状态，纳米金刚石粒呈现为颗粒状吸附在二氧化钛空心球表面，制备方法包括纳米金刚石的处理、强碱溶液的配制、高压釜中密封反应、煅烧等步骤。制备的产物晶粒尺寸小、结晶性好，具有较高的锂离子的存储密度与传输速率，可作为一种理想的锂离子电池材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料的技术领域，涉及一种纳米金刚石粉和二氧化钛的复合电极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于其容量高，循环寿命长以及环保的特性，已成为便携式电子和电动汽车能源供应的主流选择。为了实现高性能锂电池的研发，关键是要求负极材料具有高的比容量、稳定性和安全性。迄今为止，石墨负极已经商业化，然而，它容易产生锂的不均匀沉积，导致在循环过程中出现树枝状晶体，这具有潜在的安全隐患。过渡金属氧化物一直被认为是高性能锂离子电池负极材料的重要候选材料。其中，TiO₂由于其循环稳定性和化学惰性而被广泛研究作为提高锂离子电池安全性的负极材料。这是因为相比于其他负极材料，TiO₂具有相对较高的锂离子插入/脱出电压，从而阻止固体电解质界面(SEI)膜和锂枝晶的形成，从而获得电极结构稳定和高容量保持率的优异性能。此外，在充放电循环过程中，TiO₂体积膨胀率小于4％，可以保持优异的结构稳定性和较长的循环寿命。然而，TiO₂的低理论容量(168mAh/g)限制了它作为锂离子电池负极的实际应用。

发明内容

本发明的目的是，克服背景技术存在的不足，提供一种纳米金刚石与二氧化钛空心球复合材料的制备方法，以提高材料的充放电容量、循环稳定性和倍率性能，获得一种电化学性能好、成本低、绿色环保的电极材料。

本发明采用一步水热法制备二氧化钛空心球结构，通过在二氧化钛的反应前驱物中添加不同质量比的纳米金刚石粉，得到纳米金刚石粉和二氧化钛空心球的复合电极材料，以进一步改善二氧化钛的储锂性能。

本发明的技术方案如下：

一种纳米金刚石与二氧化钛空心球复合电极材料，其特征是，二氧化钛呈空心球状态，纳米金刚石粒呈现为颗粒状吸附在二氧化钛空心球表面，二氧化钛空心球与纳米金刚石的质量比值为100:2～3。

所述的纳米金刚石粒，粒径尺寸优选5～10nm。

所述二氧化钛空心球，粒径尺寸优选10～20nm。

上述的纳米金刚石与二氧化钛空心球复合电极材料的制备方法具体技术方案如下：

一种纳米金刚石与二氧化钛空心球复合电极材料的制备方法，有以下步骤：

1)将纳米金刚石在浓硫酸与浓硝酸混合液中加热48小时～96小时，再用去离子水洗涤至上层清液呈中性，得到处理后的纳米金刚石；

2)将Ti(SO₄)₂的水溶液与NaOH溶液按照溶质摩尔比1:4的比例在室温搅拌下同时滴加在烧杯中，形成凝胶状白色沉淀前驱体，将所得前驱体离心与母液分离并用蒸馏水洗涤至不存在残留的SO₄^2-；

3)将LiOH·H₂O与去离子水按照质量比1:5的比例在磁力搅拌器下搅拌至全部溶解并超声2小时，形成强碱性溶液。

4)将步骤1)处理后的纳米金刚石与步骤2)制备的前驱体白色沉淀加入到步骤3)配制的强碱性溶液中，并加入聚四氟乙烯衬底，放置于高压釜中，密封后于130℃下反应48小时，取出高压釜后将其中反应物倒出，并用去离子水稀释至溶液呈中性，蒸发溶液得到白色粉末；其中，所述的纳米金刚石、前驱体白色沉淀、强碱溶液三者的用量比为0.016g～0.024g:0.8g:30ml；