[发明专利]一种复合材料、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种复合材料、其制备方法及应用，复合材料为纳米碳层包覆单晶H‑Nb₂O₅的核壳结构，其中，核为单晶H‑Nb₂O₅颗粒，最长方向尺寸为2～10μm，壳为纳米碳层，厚度为10～20nm。根据本发明的制备方法得到的纳米碳层包覆单晶H‑Nb₂O₅的复合材料具有高达270mAh/g的可逆容量；且单晶H‑Nb₂O₅具有本征高锂离子扩散能力，均匀的纳米碳层改善材料电子导电性，保证了材料超高倍率充放电能力和长循环稳定性，纳米碳层包覆的单晶H‑Nb₂O₅具有适宜的嵌锂电位，在大电流密度下不会出现析锂，因此安全性好。

技术领域

本发明涉及单晶H-Nb₂O₅材料技术领域，具体是一种复合材料、其制备方法及应用。

背景技术

随着终端应用技术的不断革新和市场需求的增加，发展更高性储能设备势在必行，尤其是发展具有高容量、可快速充放电且安全性好的储能技术。锂离子电池和锂离子电容器是目前最为常用的高倍率储能技术。电极材料是储能的主体，直接决定了储能电池或电容器的综合性能，因此电极关键材料的优化与创新是提升性能的关键。负极材料的性质直接影响储能电池或电容器的功率性能和安全性能。

对于锂离子电池，石墨类负极是目前商业化锂离子电池最常用的负极材料，其理论比容量为372mAh/g，具有低嵌锂电位(0.2V，vs.Li⁺/Li)。但是在高电流密度下，石墨负极嵌锂过电位增大，存在析锂风险，可能引起电池电路而产生电池安全性问题，因此其不适用于高倍率充放电。钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂,LTO)负极嵌锂电位在1.55V(vs.Li⁺/Li)，充放电过程中体积应变小，是一种高安全性、长寿命、可快速充放电的负极材料。但是由于其电位较高且比容量低(175mAh/g)，其能量密度难以满足对高比能量电池的需求。硅基复合物负极材料是新兴的高比容量负极，其实际比容量可到达600-2000mAh/g，通过材料纳米化可实现良好的高倍率充放电性能。然而其在嵌锂过程中材料固有的巨大体积膨胀影响其循环寿命，并且存在首次充放电库伦低、材料制作工艺复杂等将问题，这都使硅基负极难以实现大规模实际应用。锂离子电容器是利用吸脱附的快速储锂性质实现高倍率充放电，但是其容量有限。将传统电容器正极材料与高倍率氧化还原负极材料组成混合电容器可以有效提高其能量密度。因此，探索合适的负极材料是研发下一代高倍率高安全性储能技术的热点和难点。

发明内容

基于现有技术中锂离子电池负极材料存在析锂、能量密度低、循环寿命短和锂离子电容器的容量有限等缺点，本发明提供了一种复合材料，可以作为负极用于锂离子电池和锂离子电容器中，纳米碳层包覆的单晶H-Nb₂O₅具有适宜的嵌锂电位，可逆容量高、安全性好。

本申请中的单晶H-Nb₂O₅为Nb₂O₅的一种变体，Nb₂O₅的晶体结构与制备方法有关。

根据本申请的一个方面，提供了一种复合材料，所述复合材料为纳米碳层包覆单晶H-Nb₂O₅的核壳结构，其中，核为单晶H-Nb₂O₅颗粒，最长方向尺寸为2～10μm，壳为纳米碳层，厚度为10～20nm。

可选地，所述纳米碳层包覆单晶H-Nb₂O₅中碳含量为2.0～4.0wt％。

优选地，所述纳米碳层包覆单晶H-Nb₂O₅中碳含量为2.5～3.5wt％。