[发明专利]一种碳包覆钒掺杂钛氧化物的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种碳包覆钒掺杂钛氧化物的制备方法。

背景技术

锂离子电池由于能量密度高和循环性能好等特点，在新能源产业发展中受到越来越多的重视。锂离子二次电池负极材料有石墨、钛酸锂、锡合金和硅合金等，其中钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)是一种有良好应用前景的锂离子二次电池负极材料，钛酸锂电池具有长寿命、高倍率、安全性和优秀的高低温性能。

钛酸锂是一种由金属锂和低电位过渡金属钛的复合氧化物，尖晶石结构，空间群为Fd3m，不导电，在空气中能稳定存在。做为锂离子二次电池负极，充放电过程中，不发生晶型变化，体积变化小于1％，被称为“零应变材料”。这种稳定致密的结构可以为有限的锂离子提供进出的通道，使Li₄Ti₅O₁₂具有比碳负极更优良的循环性能。在充电过程中，Li₄Ti₅O₁₂晶体嵌入3个锂离子，生成蓝色Li₇Ti₅O₁₂晶体结构，未过充条件下，不会生成金属锂，因此，钛酸锂负极材料被认为是安全的锂电池负极材料。

但是，钛酸锂理论克容量只有175mAh/g，较低的克容量限制了其在更多电池应用领域里的发展。

在25℃下，锂离子在Li₄Ti₅O₁₂具有较高的化学扩散系数为2×10^-8cm²/s，高的扩散系数使钛酸锂可以快速、多循环充放电。但Li₄Ti₅O₁₂自身导电率约10^-13S/cm，属于绝缘体，因此要使其在大电流充放电中获得应用需要对其进行修饰或改性。

在钛酸锂晶体中掺杂金属离子是一种提高钛酸锂自身导电率的一种方法。

2010年日本产业技术综合研究所(产综研)开发出了锂离子充电电池用新型钛氧化物负极材料H₂Ti₁₂O₂₅。

钛氧化物负极材料H₂Ti₁₂O₂₅除了具有钛酸锂的优点之外，还具有高克容量225mAh/g，能量密度可以比钛酸锂提高三成。

新的钛氧化物负极材料H₂Ti₁₂O₂₅具有和钛酸锂相似的结构特点，自身导电率低。

因此，可以在钛氧化物H₂Ti₁₂O₂₅晶体结构里掺杂金属离子，可以增加钛氧化物负极材料H₂Ti₁₂O₂₅导电性，提高倍率性能。

目前制备碳包覆钒掺杂钛氧化物H₂Ti₁₂O₂₅的方法还未见报道。

发明内容

为了提高钛氧化物H₂Ti₁₂O₂₅材料的导电性，本发明提出了一种碳包覆钒掺杂钛氧化物的制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种碳包覆钒掺杂钛氧化物的制备方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)将二氧化钛、碳酸钠和五氧化二钒混匀，置于空气中煅烧，自然冷却，制备得到钒掺杂三钛酸钠Na₂Ti_yV_xO₇粉末，其中x+y＝3，0≤x≤0.5；

2)将钒掺杂三钛酸钠Na₂Ti_yV_xO₇浸泡在盐酸溶液，钠离子和氢离子离子交换后，在空气中加热干燥，制备得到钒掺杂钛酸H₂Ti_yV_xO₇，其中x+y＝3，0≤x≤0.5；