[发明专利]一种铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法及其产品、应用

说明书

本发明提出了一种利用铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法，即结合简单的溶剂热和热处理工艺，通过铝掺杂和还原气氛处理引入了一定量的O^2‑空位和低氧化态Nb⁴⁺，制备得到具有稳定快充性能的改性五氧化二铌材料，提高了离子导电性和电导率。由于铝离子对铌离子的取代，提高了五氧化二铌的晶格稳定性，降低了铌离子在电池循环中的不良跃迁，稳定了其快充过程中的容量，并提高了快充的循环稳定性。该改性五氧化二铌材料作为锂离子电池负极时，在20A g^‑1的大电流密度下，经过9900次循环后仍可保持82mAh g‑1的可逆比容量，展现了在高倍率充放电过程中的长期稳定性。本发明为开发高容量、高结构稳定性的快充电极材料提供了一种很有潜力的方法。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法及其产品、应用。

背景技术

作为储能器件的重要代表之一，锂离子电池因其能量密度高、使用寿命长等优点而受到广泛关注。而快速充电作为下一代锂离子电池的关键要求之一，致使高倍率电极材料的发展。目前石墨等碳基材料(理论比容量为372mAh g^-1)是常用的锂离子电池负极材料。然而，石墨的倍率性能有限，初始容量损失大，远远不能满足高倍率、高能量密度器件的要求。其他插入型材料如Li₄Ti₅O₁₂具有良好的安全性能，但其较低的理论比容量(140mAh g^-1)极大地限制了电池的输出能量密度。因此，开发具有高容量以及优良结构稳定性的高倍率电极材料对发展长寿命的快充电化学器件具有重要意义。

近年来，五氧化二铌(Nb₂O₅)因其超快的锂储存动力学而引发关注，成为发展高倍率锂离子电池的极具潜力的负极材料。对于不同晶体形态的Nb₂O₅,正交型的五氧化二铌(T-Nb₂O₅)作为一种插层赝电容材料已被广泛研究。其结构上主要由高度扭曲的八面体(NbO₆)和五边形双锥体(NbO₇)骨架组成。这种开放的框架结构为离子输送提供了稳定的宿主和高速通道，从而实现了微米尺度粒子的高倍率能量存储。此外，T-Nb₂O₅表现出的插层赝电容行为有利于倍率性能的提高。然而，T-Nb₂O₅的低电导率(300K时为3×10^-6S cm^-1)以及在低截止电压下的不稳定性极大地限制了其充放电容量和高倍率性能的发挥。因此，有必要开发一种操作简单的方法改善T-Nb₂O₅在快速充放电过程中的综合性能，充分发挥其快充潜力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法，提高了五氧化二铌的电导率和结构稳定性，从而达到全面提升倍率性能和循环性能的目的

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种铝掺杂改善五氧化二铌快充性能的方法，通过在五氧化二铌的制备过程中掺杂铝，实现五氧化二铌快充性能的提升，具体包括如下步骤：

1)将适量的铌源、铝源以及有机配体在有机溶剂中混合；

2)将步骤1)所得混合溶液进行溶剂热反应，反应结束后分离出固体产物；

3)将步骤2)所得固体产物进行热处理，得到具有快充性能的改性五氧化二铌材料。

按上述方案，步骤1)中，所用的铌源选自五氯化铌、乙醇铌等，铝源选自九水合硝酸铝、乙酰丙酮铝等，有机配体为二甲基咪唑等，有机溶剂为乙醇。