[发明专利]一种碳掺杂锐钛矿/金红石二氧化钛电极材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳掺杂锐钛矿/金红石二氧化钛电极材料的制备方法。采用一步水热法原位合成出一种碳掺杂锐钛矿/金红石二氧化钛电极材料。本发明通过改变体系中碳源的加入量来调节二氧化钛与碳源的比例；通过盐酸和有机酸盐溶液控制钛源水解，进而促进二氧化钛晶体向不同晶相转变；最终所制备出碳掺杂锐钛矿/金红石二氧化钛的锂离子电池电化学性能表现优异，且制备方法快速简单，周期短，易于实现大规模合成。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料合成技术领域，特别是涉及一种碳掺杂锐钛矿/金红石二氧化钛复合材料的制备方法。

背景技术

二氧化钛是一种应用最广泛的半导体材料，主要有锐钛矿、金红石和板钛矿三种晶相结构，它们不同的结构导致了其表面活性以及物理化学性质以及用途各不相同。据研究表明，二氧化钛作为一种锂离子电池负极材料，在电池的安全性能、循环使用寿命、充放电能力以及成本等方面展现出极大的优势。但由于电子导电率低，导致电池储锂容量低，进而限制了二氧化钛锂离子电池的进一步发展。针对上述问题，现有技术普遍是采用复合一种或多种导电材料或碳基材料，但在制备过程中，往往需要先合成导电材料或碳基材料，然后再和二氧化钛复合。这导致二氧化钛与其他导电碳基材料或半导体材料间界面结合效果差，使其优异的电化学性能难以充分发挥出来，并且其制备过程操作繁琐，反应条件困难，制备周期长，难以实现产业化生产。

另一方面，金红石相二氧化钛具有高稳定性，锐钛矿相二氧化钛具有高活性的特点，采用一种原位合成的方式制备一种碳掺杂锐钛矿/金红石二氧化钛材料，这不仅能有效的提高材料的导电性，还有利于增强二氧化钛材料的电化学活性。丰富的相界面可以为电子提供了更多的活性位点，从而加快电子的传输效率。基于上述原因，如何找到一种工艺简便、可产业化生产，并能制备出一种高导电性并且具有锐钛矿/金红石的高储锂性能的二氧化钛电极材料，则是本发明所要解决的主要问题。

发明内容

本发明主要目的是解决现有技术存在的问题，提供一种绿色环保、工艺简便、能大规模合成的具有高储锂容量的碳掺杂锐钛矿/金红石二氧化钛电极材料的制备方法。所述碳掺杂二氧化钛电极材料的制备，其技术方案包括以下步骤：

步骤一、称量10-30份钛源和1-5份碳源加入反应釜中，加入有机溶剂并混匀搅拌，所述钛源、碳源与有机溶剂的质量体积比为(1-3)g:(0.1-0.5)g：1mL；

步骤二、将盐酸和有机酸盐溶液混合，调节pH为5-7，缓慢加入步骤一所得反应液中，所述盐酸浓度为5mol/L，盐酸和有机酸盐的混合液与有机溶剂的体积比为(1-2):1；

步骤三、将步骤二所得反应液置于160℃-200℃条件下反应10-24h；

步骤四、将步骤三所得产物用无水乙醇和去离子水分别清洗、离心三次，然后在60-80℃条件真空干燥；

步骤五、将步骤四所得反应物于250-400℃煅烧2-4h，既得到碳掺杂锐钛矿/金红石二氧化钛电极材料。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

(1)本发明采用一步水热法原位合成出碳掺杂锐钛矿/金红石二氧化钛材料，其制备方法简易、周期短且产率高，能够实现大规模生产。

(2)本发明通过改变体系中碳源的加入量来调节二氧化钛与碳的比例。

(3)本发明通过盐酸和有机酸盐溶液控制钛源的水解来进一步控制二氧化钛晶相的转变。

(4)本发明制备的碳掺杂锐钛矿/金红石二氧化钛电极材料具有较大的比表面积，增大了电极材料和电解液的接触面积，有利于电极反应。

(5)本发明所制备的碳掺杂锐钛矿/金红石二氧化钛电极材料是由锐钛矿、金红石、碳源组成的二氧化钛复合材料，锐钛矿/金红石双相的存在缩短了电子的传输路径；碳源的引入提高了二氧化钛材料的电子导电率，增强了电子反应动力学机制。