[发明专利]一种锂离子电池负极用纳米TiO2(B)/碳复合纤维的制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明公开了一种锂离子电池负极用纳米TiO₂(B)/碳复合纤维的制备方法和应用，属于电化学和材料化学领域。

背景技术

二氧化钛由于其在光催化、光解水、传感器、染料敏化太阳能电池和锂离子电池等领域具有广阔的应用前景，已经成为材料领域研究的热点。常见的二氧化钛主要包括四种晶相：锐钛相、金红石相、板钛矿相和TiO₂(B)相。在所有的晶相中，TiO₂(B)型二氧化钛属于单斜晶系，结构最为疏松，具有较大的层间距以及较小的密度，有利于锂离子的嵌入和脱除，因而在锂离子电池方面的应用具有潜在的优越性能。

在很大程度上，TiO₂(B)的尺寸、形貌和晶体的生长方向都会影响其在锂离子电池中的应用。比如，纳米尺寸和交叉网络可以缩短锂离子及电子的传输距离，小尺寸的TiO₂(B)能够扩大电极与电解液的接触面积，减小电流密度，降低电池内阻，提高电池性能。一维TiO₂(B)纳米结构有利于电子沿长轴方向运动，而锂离子在短轴方向上也可以进行快速的嵌入与脱除。因此，调控TiO₂(B)的尺寸、形貌以及生长方向非常重要，可以提高锂离子电池的充放电等性能。

作为典型的一维纳米结构，TiO₂(B)纳米线的合成方法主要是依据文献（A.R.Armstrong,G.Armstrong,J.Canales,P.G.Bruce,Angew.Chem.Int.Ed.2004,43:2286.），即：从二氧化钛粉体开始，在浓的氢氧化钠溶液中用水热方法获得钛酸钠纳米线；通过在一定浓度的盐酸中进行氢离子交换后，将钛酸钠纳米线转化为钛酸纳米线；最后对钛酸纳米线进行煅烧和退火，从而将钛酸纳米线转化为TiO₂(B)纳米线。中国发明专利（公开号：CN102531050A）公开了一种制备TiO₂(B)纳米线的方法及制得的TiO₂(B)纳米线的用途，它是利用了二次水热的方法，先利用水热或加热的方法得到钛酸钾的纳米线，再二次水热将钛酸钾纳米线转化为TiO₂(B)纳米线。以TiO₂(B)纳米线为负极材料的锂离子电池，在快速的充放电速率下仍能保持较大的容量。

然而，作为一种半导体材料，TiO₂(B)的电子电导率较低（～10Ω^-1cm^-1），因此，以纯TiO₂(B)为负极材料的锂离子电池，电池内部能量损失严重。解决方法之一，就是将导电性能优异的材料如碳材料，与TiO₂(B)复合，增加电子的导入和导出速率。为实现碳材料与TiO₂(B)复合，中国发明专利（专利号ZL200710050748.2）给出了一种碳包覆的TiO₂核壳复合纳米粉体的制备方法。它利用长链的有机物作为碳源，和TiO₂粉体在真空条件下一定温度热处理后得到了TiO₂/C纳米粉体。碳材料除了起到保护内部的TiO₂粉体的作用外，形成的核壳TiO₂/C复合粉体更易于进行性质和功能的调控。

静电纺丝是一种优良的制备一维纳米结构材料的方法，研究广泛，工艺简便，能够实现材料组分结构的可控。本发明采用静电纺丝的方法先制备钛酸四丁酯（TBT）/聚乙烯吡咯烷酮（PVP）前驱体纤维，再经过热处理，可得到TiO₂(B)/C的复合纤维。在材料制备中，不需再引入碳源，而是在电纺制备纳米纤维的同时，一步实现了二氧化钛与碳源的复合，制备过程中只经历一次热处理的晶型转化过程。所以，本发明既简化了复合材料的制备工艺，提高了产物的纯度，也节约了碳源。得到的TiO₂(B)/C的复合材料，具有高比容量和高循环稳定性，是一种性能良好的锂离子电池负极材料。这种制备方法尚未见文献和专利报道。

发明内容