[发明专利]一种多元素（C、N、S、P）掺杂二氧化钛负极材料及其制备方法

说明书

本发明提供一种多元素(C、N、S、P)掺杂二氧化钛负极材料及其制备方法。其特征在于：在一定浓度的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)水溶液中分别加入一定量锐钛矿型TiO₂、草酸、磷酸三丁酯和吡咯，然后电动搅拌分散60min，再滴加一定体积过硫酸铵溶液，滴加完毕后继续反应2‑4h，将悬浊液III离心分离10～30min，除去上清液后得到沉淀产物，将沉淀产物置于管式炉中，在通氮气的条件下，以5℃/min的速率，升至400～700℃，保温4‑8h，降温冷却后得到(C、N、S、P)掺杂二氧化钛负极材料。在100mAh/g的电流密度下，前10圈的放电容量达到510mAh/g，循环稳定性好，展现出明显提高的电化学性能，制备方法操作简单、环境友好，易于实现工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种多元素(C、N、S、P)掺杂二氧化钛负极材料及其制备方法，属于电极材料制备领域。

背景技术

负极材料是锂离子电池重要组成部分，其性能好坏直接影响锂离子电池的使用寿命。目前商业化的负极材料主要是碳基材料(如天然石墨、中间相碳微球、人造石墨等)，其优点是导电性较好，充放电平台较低，性价比较高。但其自身也还存在缺陷，如碳电位过于接近金属锂，在充放电过程中容易发生锂枝晶的析出造成电池短路，存在安全隐患，另外其脱嵌锂造成的体积变化较大，使其循环性能下降。

锐钛矿TiO₂是对锂离子的嵌入和脱出具有电活性的半导体材料，具有放电～1.75V、充电～2V的高工作电压平台，不会在其表面产生锂枝晶和固体电解质界面(SEI)膜，另外在充放电过程中的体积变化仅约3～4％，即Li+在材料内部的嵌入和脱出所导致的体积变化很小，循环性能优异，而且成本低、环境友好，是石墨的替代候选材料。然而，与石墨相比，其理论容量低(335mAh·g^-1，每1molTiO₂嵌入1mol Li⁺)，实际可循环容量更低(仅为167.5mAh·g^-1)。

二氧化钛的电子导电能力较差，严重制约了其作为电极材料的应用。近年来，国内外对二氧化钛电化学性能的改善主要通过形貌和颗粒大小调控、元素掺杂、碳包覆等方法，但已有相关研究中，二氧化钛的放电容量都不够高，难以满足商用化要求。如Sung Woo Oh等用水热法制备了22nm二氧化钛，在0.4mA·cm^-2电流密度下循环100次首次放电比容量为170mAh·g^-1，Li等用溶剂热法合成了多孔二氧化钛纳米片，在1C(1C＝168mA·g^-1)倍率下首次放电比容量为210mAh·g^-1；水热法制备的纳米棒状二氧化钛负极材料在0.1C电流密度下首次放电容量约300mAh·g^-1，10C充放电速率下最大放电容量为125.9mAh·g^-1[ZL201810829882.0]，水热法制备的锐钛矿型层状介孔二氧化钛在0.1C电流密度下首次放电容量约280mAh·g^-1[ZL201010168942.2]；将钛酸四丁酯加入尿素-氯化胆碱离子液体中制备得到的纳米二氧化钛再经高温焙烧得到的二氧化钛负极材料在0.5C下的首次放电比容量为193.2mAh g-1[ZL201610107105.6]，钼掺杂锐钛矿TiO₂材料在0.2C的电流密度下的首次放电比容量约180mAh·g^-1[ZL201811024033.4]，锆酸锂改性双相钛酸锂/二氧化钛负极材料在0.1C的电流密度下首次放电容量约172mAh·g^-1[ZL201810161587.2]，银负载二氧化钛负极材料的制备方法[ZL201510149000.2]在0.1C的电流密度下放电比容量在180～280mAh·g^-1之间。碳包覆二氧化钛负极材料的在0.1C倍率下的首次放电容量约220mAh·g^-1[ZL201710027901.3]。