[发明专利]一种二氧化钛碳纤维制备Na4

说明书

本发明涉及一种二氧化钛碳纤维制备Na₄Ti₅O₁₂‑C纳米纤维负极材料的制备方法。首先将N,N‑二甲基甲酰胺、乙醇与乙酸混合均匀后加入钛酸丁酯，搅拌至完全溶解得到淡黄色透明溶液；再加入聚乙烯吡咯烷酮，继续搅拌得到静电纺丝前驱体溶液，转移至静电纺丝医用注射器中，开始在静电纺丝装置上纺丝，纺丝得到的纳米纤维用锡箔接收。之后将载有纳米纤维的锡箔基板先进行真空干燥，然后用刚玉方舟收集纳米纤维进行碳化处理，得TiO2‑C纳米纤维，再将其和碳酸钠一起进行烧结，得到Na₄Ti₅O₁₂@‑C负极材料。本发明所得Na₄Ti₅O₁₂‑C纳米纤维直径比较均匀，约为100~250 nm，具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及钠离子电池负极材料，具体涉及一种二氧化钛碳纤维制备Na₄Ti₅O₁₂-C纳米纤维负极材料的方法。

背景技术

地球村的背景下，人类能源逐渐从化石燃料向生态型转化，人类已经面临能源转型的重要时期，可再生、清洁的新能源开发与利用成为人类社会可持续发展的关键。太阳能、风能、水能等新能源，因自然条件的限制在使用上仍然存在很大的困难，难以稳定供给。这样的背景下，大型的储能系统在满足人们生活能源需求上表现出了自身巨大的应用前景。锂离子电池本身是一种绿色环保、重量轻、容量大、无记忆效应的优秀的储能材料，自索尼公司于1991年将锂离子电池商业化以来，这种新型储能材料在全球各个领域都有了广泛应用。在汽车行业的发展中，国家、居民对新能源汽车也持以支持的态度，这种汽车的动力来源中最核心的技术——锂离子电池也一直是全球学者们研究和开发的热点。

作为新型电池负极材料之一，二氧化钛因晶型和结构的多样性在锂离子电池领域被广泛研究。但锂在地壳中含量较低，以含量更丰富的钠进行储能电池的研究更具有现实意义。二氧化钛在充放电过程中体积膨胀率仅为3%，具有较高且平稳的放电平台、较小的结构变化和较短的嵌脱钠行程，使得二氧化钛具有较好的安全性和较长的使用寿命。以二氧化钛作为基底，以钛基金属氧化物作为负极材料的研究在当前是非常热门的。其中最常见的以Na₂Ti₃O₇最具关注，这种材料的理论可逆容量接近200mAh/g，主要是因为其较低的氧化还原电对Ti（Ⅲ）/Ti（Ⅳ）。但值得关注的是，Li₄Ti₅O₁₂的尖晶石型能够提供很好的二维传导途径，使得钠离子或锂离子顺利通过，其理论可逆比容量也是钛基锂金属材料中最高的。在这样的思考之下，Na₄Ti₅O₁₂是否存在较好的储钠性能，以解决当前能源危机，给我们提供一种思考方式。

然而，已报道的Na₄Ti₅O₁₂的材料合成方法中，以锐钛矿和Na₁₆Ti₁₀O₂₈进行摩尔比合成后，在900℃下反应才能够得到。过程中高能耗、合成条件苛刻、设备昂贵，复杂的操作使得这种方法在实际应用中受到一定限制。近年来，静电纺丝技术由于设备简单、制备过程易控引起了科研人员的广泛关注，被认为是制备纳米纤维最简单有效的方法之一。静电纺丝易于制备均匀复合材料，例如掺杂、功能化等，而且制备得到的材料具有较高的比表面积和较大的长径比。正是由于这些独特的优势，静电纺丝技术可以在能源、环境、生物医学等很多领域得到应用。因此，如果将静电纺丝技术引入Na₄Ti₅O₁₂纳米纤维的制备中，则具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简易的、固相法与静电纺丝法相结合的二氧化钛碳纤维合成Na₄Ti₅O₁₂纳米纤维的制备方法。

本发明的技术方案为：