[发明专利]一种钌掺杂的复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种钌掺杂的复合材料及其制备方法和应用。该钌掺杂的复合材料为掺杂钌的钛铌氧化物，钛铌氧化物的结构式为TiNb₂O₇，钌掺杂的复合材料中钌的质量含量为2～5％。本申请中的钌掺杂的复合材料中，钛铌氧化物的比容量较高，通过在钛铌氧化物中掺杂钌，可以有效提高钛铌氧化物的导电性能。当掺杂钌的钛铌氧化物作为电芯时，电芯的倍率性能大大提高，并且具有良好的循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体而言，涉及一种钌掺杂的复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有高比能量、工作电压高且对环境污染小，被广泛应用于储能系统和电动汽车。目前，商业化应用的锂离子电池的负极材料主要有碳材料与钛酸锂材料，其中，碳材料的嵌锂电位较低，只有0.2V左右，快速充放电可能形成锂枝晶，存在一定的安全隐患，而且在大功率下动力学性能较差；钛酸锂材料具有稳定的尖晶石结构，在充放电过程中，随着锂离子的嵌入和脱出，钛酸锂结构几乎不发生变化，有“零应变材料”之称，故循环性能尤其好。另外，钛酸锂材料具有较高的嵌锂电位(1.5V)，高于大多数有机电解质的还原电位，能够有效避免SEI膜的形成和锂枝晶造成的安全问题。但是其理论比容量比较低，只有175mAh/g，这在很大程度上限制了钛酸锂的应用价值。新一代负极材料钛铌氧化物TiNb₂O₇，其理论比容量高达385mAh/g，是钛酸锂的两倍之多，虽然单独使用钛铌，活性物质的比容量较高，但其材料导电性较差，故而会影响到电芯的倍率性能，此外制作的成品电芯循环性能较差。

针对以上缺点，现有技术主要采用下面两种手段对钛铌氧化物材料进行改性：第一，离子掺杂改性，目前研究过的采用传统的固相法掺杂锆，而传统的固相法操作简单，对设备要求低，成本低，但是其合成的产物具有颗粒不均匀、晶型不规则且合成周期长等缺点；第二，碳包覆或者复合改性，目前主要是以碳黑、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯等作为碳源对钛铌氧化物进行包覆或者复合，来提高钛铌氧化物材料的导电性，但是受材料之间的亲和性的影响，碳源的分散并不是很理想，所制备的材料应用到电池上，电性能并没有明显改善。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种钌掺杂的复合材料及其制备方法和应用，以解决现有技术中钛铌氧化物导电性较差的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种钌掺杂的复合材料，钌掺杂的复合材料为掺杂钌的钛铌氧化物，钛铌氧化物的结构式为TiNb₂O₇，钌掺杂的复合材料中钌的质量含量为2～5％。

进一步地，钌掺杂的复合材料的D50为3～7μm。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种上述钌掺杂的复合材料的制备方法，制备方法包括：步骤S1，将钌源、第一钛源、表面活性剂、溶剂、第二钛源混合后干燥，得到钌-钛复合前驱体，表面活性剂为聚乙烯吡咯烷酮和/或聚丙烯吡咯烷酮，溶剂为乙醇、水或丙酮，钌源为二氧化钌，第一钛源选自二氧化钛、偏钛酸、乙酸钛、乙醇钛中的一种或多种，第二钛源选自钛酸异丙酯、钛酸四丁酯、钛酸丁酯、钛酸四正丁酯、钛酸四乙酯中的一种或多种；步骤S2，将钌-钛复合前驱体与含铌源的溶液进行混合，得到湿凝胶，将湿凝胶进行老化、干燥，得到干凝胶；步骤S3，将干凝胶进行煅烧，得到钌掺杂的复合材料。

进一步地，钌源和第一钛源总质量与表面活性剂的质量比为(1～1.5)：(5.5～6.0)；第一钛源与第二钛源的质量比为(0.5～1.5)：(1.5～2.5)；表面活性剂与溶剂的质量比为(4.5～5.5)：(6.5～7.5)。

进一步地，步骤S1中，将第二钛源以溶液的形式加入，优选第二钛源的溶液中的溶剂为乙醇、水、丙酮中的一种或多种，优选第二钛源的溶液的浓度为0.65mol/L～0.75mol/L。