[发明专利]一种铜元素掺杂铌酸钛微球负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种铜元素掺杂铌酸钛微球负极材料及其制备方法和应用。所述铜元素掺杂铌酸钛微球负极材料的制备方法如下：将一定比例的钛源、铌源以及铜源溶于有机溶剂中充分搅拌，并转移到水热反应釜中进行水热反应。待其冷却，将前驱体洗涤、离心并干燥后，放入快速升温炉中煅烧，最终得到Cu掺杂TNO微球负极材料。该负极材料具有十分优异的电化学性能：在100mA/g的电流密度下，首次充放电的容量为272.6/334.9mA h/g。循环100次后，放电比容量依旧保持在244.4mA h/g。在100、200、400、800、1600以及3200mA/g的电流密度下容量分别为287.1、268.9、251.7、222.2、175.7以及97.5mA h/g。该Cu掺杂TNO微球负极材料对于推动TNO负极的商业化应用具有重要的意义。

技术领域

本发明属于锂离子电池负极材料技术领域，具体涉及一种铜元素掺杂铌酸钛微球负极材料及所述材料在制备锂离子电池负极中的应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

石墨，因其便宜易得，是目前商业化应用最为广泛的负极材料，但仍存在理论比容量低、循环性能差等缺点。尤其是，其较低的电压平台(0.2V以下)易产生锂枝晶刺穿隔膜，存在极大的安全隐患。而尽管钛酸锂负极具有优异的循环寿命及较高的安全性，其理论比容量仅为175mA h/g，不能满足高性能储能器件的需求。

铌酸钛(TNO)是一种有前景、可代替钛酸锂的新型负极材料，3对氧化还原电子对的存在(Nb⁵⁺/Nb⁴⁺、Nb⁴⁺/Nb³⁺和Ti⁴⁺/Ti³⁺)为其提供了387.5mA h/g的理论比容量。与钛酸锂类似，TNO的电压平台在1.6V左右，避免了锂枝晶的产生，大大提高了安全性。此外，优异的结构稳定性可保证充放电过程中优异的循环性能。然而，TNO较大的禁带宽度(2.92eV)导致离子/电子导电率较低，严重限制其商业化进程。

因此，合理改性TNO以降低其禁带宽度并提高离子/电子电导率，实现电化学性能的进一步提升迫在眉睫。近年来，研究人员对TNO的改性手段包括：与高导电性材料(如石墨烯、Ag)复合以提升其电导率、合成特殊形貌(如纳米线)以缩短锂离子扩散距离。以上改性手段采用的原料价格昂贵，不适合大规模生产，对设备要求较高。掺杂异质离子可有效的降低禁带宽度，在改善TNO电导率方面已被验证可行，但如何选用价格低廉并实现更有效的掺杂以进一步提升TNO电化学性能仍需探索。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种铜元素掺杂铌酸钛微球负极材料及其制备方法和应用。

本发明证实：Cu元素掺杂TNO，能够有效的缩短其禁带宽度，改善离子/电子电导率，从而进一步提高其循环性能及倍率性能。选择Cu作为掺杂元素主要基于如下考虑：一方面，金属Cu无毒且便宜易得，与导电性极强的Ag和Au属于同一族，导电性优异。另一方面，通过理论计算证实，具有较大半径的Cu离子可取代TNO中的Ti位点，显著增加TNO的晶面间距，有利于锂离子的传输。同时，掺杂易引入大量氧空位，使TNO电子电导率提高。因此，引入Cu离子协同改性TNO的锂离子/电子传输对新型负极的改性研究具有一定的借鉴意义，为TNO的产业化提供了宝贵的经验。

基于上述的研究成果，本发明提供了以下的技术方案：

本发明第一方面，提供一种Cu元素掺杂TNO微球负极材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：将钛源、铌源及铜源溶于有机溶剂，充分搅拌；

步骤二：将步骤一所得混合溶液转移至水热反应釜进行水热反应；

步骤三：将步骤二所得粉末洗涤、离心并干燥；