[发明专利]一种铌酸钛硅基复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及锂离子电池材料领域，具体涉及一种铌酸钛硅基复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的一种铌酸钛硅基复合材料的制备方法，包括：1)将钛源、铌源、有机铈化合物等混合后，通过静电纺丝得到含铌钛铈的碳纤维材料；2)将羧酸化纳米硅、硅烷偶联剂和有机溶剂、含铌钛铈的碳纤维材料和碱液后反应，得到铌钛铈硅基的碳纤维材料；3)得到的铌钛铈硅基的碳纤维材料分别在改性气体氛围和碳源气体氛围下进行加热，得到所述铌酸钛硅基复合材料。通过本发明方法获得的铌酸钛硅基复合材料可有效降低材料的膨胀性，提升材料的离子电导率以及电池的比容量和首次效率，同时本发明获得的材料还具有优异的保液率、吸液速率以及循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料领域，具体涉及一种铌酸钛硅基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池的负极材料是作为储锂的主体，在锂离子电池充放电过程中，锂离子反复地在负极材料中嵌入和脱出，发生电化学氧化/还原反应。目前，商用的锂离子电池的负极使用材料以碳基材料为主，但碳基负极理论容量有限，在面对更大电池能量密度要求的未来市场，碳基材料无法满足。

硅基材料因其巨大的稳定理论容量，成为锂离子电池负极材料的研究热点。硅基材料虽然具有极高的能量密度成为锂离子电池负极材料的首选材料，然而硅基材料存在充放电过程中膨胀大、电子导电率差等缺陷限制其在动力电池领域的广泛应用。降低硅基材料膨胀的措施主要有纳米化、造孔、改变形貌等措施，并进行元素掺杂、包覆降低材料的电子导电率及其提升离子扩散系数。

现有技术中，通常是在硅基的外层包覆一层无定型碳，以提高材料整体的电子和离子电导率，然而对于硅基材料其膨胀性仍然较大，对材料电子电导率和电池的比容量和首次效率提升幅度有限。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有硅基复合材料其膨胀性较大，对材料电子电导率和电池的比容量和首次效率提升幅度有限的缺陷，从而提供一种铌酸钛硅基复合材料及其制备方法和应用。

本发明提供一种铌酸钛硅基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将钛源、铌源、有机铈化合物、有机聚合物和有机溶剂混合后，得到的混合溶液通过静电纺丝得到含铌钛铈的碳纤维材料；

2)将羧酸化纳米硅、硅烷偶联剂和有机溶剂混合，然后加入步骤1)得到的含铌钛铈的碳纤维材料和碱液后进行反应，得到铌钛铈硅基的碳纤维材料；

3)将步骤2)得到的铌钛铈硅基的碳纤维材料在改性气体氛围下进行第一加热，然后在碳源气体氛围下进行第二加热，得到所述铌酸钛硅基复合材料；

所述改性气体选自氟气、氯气、氨气和二氧化硫中的至少一种。

优选的，步骤1)中钛源和铌源的总质量与有机铈化合物、有机聚合物、有机溶剂的质量比为100：(1-10)：(50-200)：(400-2000)；

所述钛源选自Ti(OC₄H₉)₄和TiO₂中的至少一种，所述铌源选自NbCl₅和Nb₂O₅中的至少一种；其中钛源与铌源的摩尔比为1：(0.5-2)；

所述有机聚合物包括聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯和聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种；所述有机聚合物的分子量为10～150万；

所述有机铈化合物选自乙酸铈、丙酸铈和水合乙酰丙酮铈中的至少一种。

优选的，步骤1)中静电纺丝时，电压为5-50kV，滚轮接收速度为0-100r/min，推进推行速度为0.1-10mL/h；电纺针头到接收器的距离为5-30cm，静电纺丝时间为30-300min。

优选的，步骤1)所述含铌钛铈的碳纤维材料的直径为1-10μm。