[发明专利]一种TiO/C负极材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于新能源技术领域，具体涉及一种TiO/C负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池是一种二次电池(充电电池)，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li⁺在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。

在过去的几十年中，锂离子电池已经占领了便携式电子设备的电源市场，其具有清洁高效、质量轻、能量密度大和循环寿命长等优点，正逐渐被运用到新型混合动力汽车和纯电动汽车的动力电源中。与此同时，随着社会能源结构的升级，可再生能源发电并网、分布式发电和智能电网等的快速发展，不断要求其配套的电池储能技术满足高安全性、大功率、低成本等特性。但锂资源在地球上的储量非常的少，在地壳中的含量仅0.0065％，全球锂储量仅为3978万吨，其中具有开采价值的仅为1350万吨。然而根据美国地质调查局2015年发布的数据，2014年全球锂产量约为36000吨，随着电动汽车的兴起这个数字会不断地增加，按照这种开发速度，锂资源将远远满足不了将来人们对储能方面的需求，锂将会成为一种枯竭速度更快的资源。

近期，人们不断开发其他备选电池技术，比如钠离子电池。

与锂离子电池相比，钠离子电池具有的优势有：(1)钠盐原材料储量更为丰富，是锂元素的420倍，价格低廉，采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一半；(2)由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液(同样浓度电解液，钠盐电导率高于锂电解液20％左右)降低成本；(3)钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可以进一步降低成本8％左右，降低重量10％左右；(4)由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg，可与磷酸铁锂电池相媲美，但是其成本优势明显，有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。因此，从降低成本的角度出发，发展钠离子电池替代锂离子电池，在大型储能应用上具有重要的现实意义。

基于成熟的锂离子电池技术，人们已经开发出一系列钠离子电池正极材料，如钠的过渡金属氧化物、钠的磷酸盐和有机化合物等。但是在负极材料方面，由于钠元素的相对原子质量比锂高很多，导致理论比容量小，不足锂的1/2；钠离子半径比锂离子半径大(Na⁺半径：95pm，Li⁺半径：60pm)，与商业化的石墨负极材料尺寸不匹配，造成钠离子无法在石墨中顺利脱嵌，导致石墨的储钠容量较低，无法满足实用要求，相关技术亟待突破。因此，开发低成本的钠离子电池负极材料具有重大的意义。

发明内容

本发明针对以上现有技术中的缺陷提供了一种TiO/C负极材料及其制备方法，该方法操作简便、周期短；该方法制备的TiO/C负极材料具有独特的圆饼形状，碳复合性好、电化学性能优良等，可运用于钠离子电池。

本发明是通过以下技术方案实施的：

一种TiO/C负极材料的制备方法，所述的制备方法以MOFs-Ti为前驱体。

进一步的，包括以下步骤：所述前驱体MOFs-Ti置于氨气与氩气的混合气中煅烧即得TiO/C负极材料。

进一步的，所述TiO/C负极材料中TiO颗粒的直径小于20nm。

进一步的，所述TiO/C负极材料中的TiO均匀地分散于碳基质中。

进一步的，所述TiO/C负极材料为圆饼状。

进一步的，所述混合气中，氨气与氩气的体积比为1:1～1:10；所述煅烧的温度为750℃～900℃；所述煅烧的时间为1～5小时。

进一步的，所述前驱体MOFs-Ti的制备方法包括以下步骤：

S1：按照v/v＝1:1的比例配制甲醇和二甲基甲酰胺的混合溶液A；

S2：将2-氨基对苯二甲酸溶于上述混合溶液中，搅拌形成澄清溶液；

S3：边搅拌边缓慢将异丙醇钛加入到上述澄清溶液中，并搅拌均匀形成混合溶液B；

S4：将混合溶液B置入反应釜中，150℃的温度条件下反应24小时后冷却至室温，过滤溶液得固体；

S5：用无水乙醇洗涤固体，将固体在60℃条件下真空干燥12h，即得MOFs-Ti前驱体。

本发明还提供了利用上述制备方法所制备的TiO/C负极材料。

本发明还提供了上述制备方法所制备的TiO/C负极材料在钠离子电极中的应用。