[发明专利]一种碳支撑的五氧化二铌微米球及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电化学能源材料技术领域，公开了一种碳支撑的五氧化二铌微米球及其制备方法和应用。该制备方法将铌源、表面活性剂、有机配体和乙醇混合均匀，制得前驱液；对前驱液加热进行水热反应，得到前驱体；对前驱体进行高温烧结，得到碳支撑的五氧化二铌微米球。本发明制备的碳支撑的五氧化二铌微米球颗粒粒径为1‑2μm，由五氧化二铌纳米颗粒和碳网络密实堆积而成，具有优异的电化学性能，可广泛应用于电化学储能领域；用作锂离子电池的负极活性材料时，表现较高的比容量和良好的循环稳定性以及优异的倍率性能，是快充锂离子电池的潜在应用材料。

技术领域

本发明属于电化学能源材料技术领域，具体涉及一种碳支撑的五氧化二铌微米球及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池凭借其高能量密度的优势，近年来已实现商业化。随着智能电子产品和电动汽车的发展，开发具有高功率密度的锂离子电池便成为了主要的挑战之一。然而，对商业化的石墨基负极材料来说，其具有缓慢的锂离子扩散动力学，难以实现快速放电/充电，因此无法达到高功率密度的要求。此外，当其工作电压较低时，容易产生短路等安全问题，这在高倍率时尤其严重。虽然其他插入型材料如Li₄Ti₅O₁₂(LTO)具有优异的倍率性能和安全工作电位(1.55V vs Li⁺/Li)，但是低理论容量限制了其能量密度。因此，迫切需要开发具有高倍率、高安全性和高能量密度的负极材料。

最近，正交型的五氧化二铌(T-Nb₂O₅)由于体积变化小、高容量、高倍率行为和安全工作电位(1.1-2V)而在锂离子电池中得到广泛研究。在T-Nb₂O₅的结构中，其(001)平面之间有很多八面体空隙，提供了快速的离子传输隧道，从而具有高的离子电导率。然而，T-Nb₂O₅是电子绝缘体，具有较低的电导率，极大地限制了锂离子电池的高功率密度。为了解决这个问题，必须开发各种策略对其进行改进从而提高其电化学性能。其中，将各种碳材料与Nb₂O₅结合是提高电子导电性的有效方法。此外，可以通过设计纳米结构的Nb₂O₅，例如纳米颗粒、纳米片、纳米线等等，使其在充电/放电过程中具有较小的离子和电子扩散距离。然而，具有低振实密度的Nb₂O₅纳米结构很难应用在具有高负载量的商业电极中。同时，高比表面积增加了电极与电解液之间的反应界面，导致副反应的发生，长循环性能较差。与纳米结构的Nb₂O₅相比，具有更高振实密度的微米级Nb₂O₅更可能满足实际电池的需求。同时，为了在高负载条件下实现高面积容量和优异的循环性能，需要微米级的Nb₂O₅在更长的扩散距离上具有更高的离子和电子电导率。因此，进一步探索和制备碳支撑的Nb₂O₅微米结构对于提升Nb₂O₅的电化学性能、加快其在电池中的推广和应用具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有材料在电化学性能方面存在的不足，提供一种碳支撑的五氧化二铌微米球及其制备方法和应用，该微米球由五氧化二铌纳米颗粒和碳网络密实堆积而成，呈现均匀、致密的实心球结构，具有优异的电化学性能，可广泛应用于电化学储能领域，尤其是锂离子电池负极材料领域。

为解决本发明所提出的技术问题，本发明提供一种碳支撑的五氧化二铌微米球的制备方法，包括以下步骤：

1)将铌源和表面活性剂溶于乙醇中，形成混合溶液A；

2)将有机配体溶于乙醇中，形成混合溶液B；

3)将混合溶液A和混合溶液B混合均匀，制得前驱液；