[发明专利]一种水溶液锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极材料及其制备，具体涉及一种用于水溶液锂离子电池的负极材料及其制备方法，属于能源材料与电化学技术领域。

背景技术

能源危机和环境问题是人类跨入21世纪必须面临的两个严峻挑战，开发新型清洁能源例如太阳能、风能等已引起世界各国的重视。太阳能，风能等新能源的开发以及电动汽车的发展都需要考虑相应的储能系统；电网调峰过程也需要低成本的规模化的储能装置。因此，高性能、低成本、高安全的电能储存技术是实现我国能源可持续发展的关键技术之一。

锂离子电池是目前应用最广泛的一种二次电池，通常以锂碳化合物作为负极材料，有机电解质为电解液。由于有机电解质导电性差、成本高、生产条件要求高，存在安全隐患，限制了其使用范围。PCT申请公开文件WO/1995/021470公开了一种水溶液锂离子电池，使用水溶液电解液代替有机电解液，消除了使用有机电解液而存在的燃烧、爆炸等安全隐患，且具有成本低、离子传导性高、环境污染少、制备工艺简单、不需要密封等优点，有望在动力汽车和储能电堆等领域实现规模化的应用。但是该技术方案提供的电池只有几十次的循环寿命，主要归咎于负极材料性能比较差。

开发新型高性能负极材料是实现水溶液锂离子电池应用的基础。目前报道的用于水溶液锂离子电池的负极材料主要有锰氧化物、钒氧化物、磷酸盐类等，但是使用这些负极材料的电池循环性能不佳，一般充放电25次至40次后容量就急剧下降。因此，水溶液锂离子电池能否实现应用，高性能负极材料的选择和制备技术是首要解决的关键问题之一。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种倍率性能优异、循环稳定性好的用于水溶液锂离子电池的负极材料，以及这种负极材料的制备方法。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种水溶液锂离子电池负极材料的制备方法，包括下列步骤：

(1)将钛盐溶于有机溶剂中，制成浓度为0.005 mol/L～3 mol/L的溶液，向溶液中加入水解抑制剂，在反应容器中水解，水解时间0.5～60 min，所述水解抑制剂为酸的溶液，水解抑制剂的浓度为0.001～0.1 mol/L；

(2)向步骤(1)的水解中的溶液中加入基体；

(3)密封反应容器，在120℃～350℃温度下进行溶剂热反应，反应保温时间0.5～48小时；

(4)冷却至室温，洗涤、干燥，获得所需的负极材料。

上述技术方案中，所述钛盐选自四氯化钛、三氯化钛、钛酸四丁酯、四异丙醇钛、叔丁基钛、硫酸氧钛、四溴化钛中的一种或两种以上的混合物。

所述有机溶剂选自丙酮、甲苯、乙醇、水、苯甲醇、乙二醇、四甘醇、聚乙二醇、丙醇、丁醇、二甲氧基二甘醇、二甲氧基三甘醇、二甲氧基四甘醇中的一种或两种以上的混合溶剂。

所述水解抑制剂选自盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、冰醋酸或柠檬酸。

所述基体材料选自FTO玻璃、ITO玻璃、钛片、钛网、不锈钢网、不锈钢片、聚合物薄膜、石墨毡、石墨烯薄膜、碳膜。

上述技术方案中，在加入溶液中之前，将基体在丙酮中超声洗涤，然后在碱性溶液中浸泡，最后用己醇和去离子水洗涤干净。

或者，在加入溶液中之前，将基体在乙酸、双氧水处理，再洗涤干燥。

上述技术方案中，获得的负极材料由基体和基体表面的纳米二氧化钛阵列构成，所述纳米二氧化钛阵列为纳米管、纳米棒、纳米线或纳米锥结构。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明采用溶剂热法制备负极材料，材料微观形貌和尺寸易于控制，制备过程易于实施；

2.本发明获得的负极材料比容量可达到39.7 mC/cm²，充放电稳定性好，倍率性能优异，在水溶液锂离子电池方面有很大的应用潜力；

3.实验表明，采用本发明的负极材料制备的水溶液锂离子电池，具有良好的循环能力，充放电次数在1200次以上性能仍基本保持不变。

附图说明

图1是实施例1中二氧化钛纳米棒阵列负极材料的扫描电镜图；

图2是实施例2中纳米阵列二氧化钛负极材料的充放电曲线图；

图3是实施例3中二氧化钛纳米线负极材料的循环性能图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：