一種球形Nb₂O₅電極材料及其制備方法

一種球形Nb₂O₅電極材料及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種球形Nb2O5電極材料的制備方法，具體包括以下步驟：將鈮源與溶劑混合，攪拌0.1?24小時，配制成濃度為0.01?10mol/L的含鈮溶液；將含鈮溶液轉移到不銹鋼反應釜中，置于恒溫干燥箱中，在預定反應溫度下反應1?66小時，得到沉淀物；將所得的所述沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數次，然后置于真空干燥箱中在預定真空干燥溫度下干燥，得到粉體；將所得的所述粉體置于管式爐中，在預定焙燒溫度下焙燒1?66小時，即得球形Nb2O5電極材料。本發明還提供一種根據上述制備方法獲得的球形Nb2O5電極材料。本發明制備的球形Nb2O5電極材料用作鋰離子電池負極材料表現出優異的電化學性能。
【專利說明】
_種球形Nb205電極材料及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于鋰離子電池電極材料領域，具體地說，涉及一種球形Nb2O5電極材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]五氧化二鈮(Nb2O5)是一種新型的鋰離子電池負極材料，具有高的嵌脫鋰電位(大于1.0V)，不會引起鋰枝晶和固體電解質氧化膜(SEI膜)的生成，安全性好；同時該材料在嵌脫鋰過程中晶型結構保持不變，晶格參數及晶胞體積略有變化(晶胞體積膨脹率小于I % )，結構穩定性好，使其成為一種備受關注的鋰離子電池負極材料。
[0003]然而，由于Nb2O5固有電子電導率低，使其在大電流密度下充放電時的電化學性能較差，制約了其商業化應用。當前研究者們主要通過表面包覆高導電相物質或減少材料的顆粒尺寸(特別是制備納米尺寸材料)來改善M32O5材料的電化學性能。對于鋰離子電池而言，納米級電極材料一是可以縮短鋰離子在材料中的擴散距離，提高擴散速率;二是納米級電極材料具有較大的比表面積，能夠增加電極材料與電解液的接觸面積，有利于鋰離子的迀移和擴散。因此，電極材料納米化被廣泛用來改善電極材料的電化學性能。目前納米Nb2O5的主要制備方法為:利用乙醇鈮水解或者利用HF (氫氟酸)溶解商品化Nb2O5或氫氧化鈮后再進一步處理。乙醇鈮價格昂貴，而HF溶解法對設備腐蝕嚴重，工藝復雜。

【發明內容】

[0004]有鑒于此，本發明的目的是提供了一種球形Nb2O5電極材料及其制備方法，該方法制備的球形Nb2O5電極材料用作鋰離子電池負極表現出較好的電化學性能。
[0005]本發明提供了一種球形Nb2O5電極材料的制備方法，具體包括以下步驟:
[0006]步驟I):將鈮源與溶劑混合，攪拌0.1-24小時，配制成濃度為0.01-10mol/L的含鈮溶液；
[0007]步驟2):步驟I)所述的含鈮溶液轉移到不銹鋼反應釜中，置于恒溫干燥箱中，在預定反應溫度50_250°C下反應1-66小時，得到沉淀物；
[0008]步驟3):將步驟2)所得的所述沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數次，然后置于真空干燥箱中在預定真空干燥溫度下干燥，得到粉體；
[0009]步驟4):將步驟3)所得的所述粉體置于管式爐中，在預定焙燒溫度下300-1200°C下焙燒1-66小時，即得球形Nb205電極材料。
[0010]進一步的，所述步驟I)中的所述溶劑為乙醇、甲醇、異丙醇、丙三醇、乙酸、丙酮中的一種或幾種。
[0011]進一步的，所述步驟I)中的所述鈮源為氟化鈮、碘化鈮、草酸鈮、五氯化鈮中的一種或幾種。
[0012]進一步的，所述步驟2)中的所述預定反應溫度為50-250°C。
[0013]進一步的，所述步驟2)中的所述預定反應溫度為70_220°C。
[0014]進一步的，所述步驟3)中所述預定真空干燥溫度為50-120°C。
[0015]進一步的，所述步驟5)中的所述預定焙燒溫度為300-1200°C。
[0016]進一步的，所述步驟5)中的所述預定焙燒溫度為380-1000°C。
[0017]本發明還提供一種根據上述的球形Nb2O5電極材料的制備方法制備的球形Nb2O5電極材料。
[0018]本發明具有如下優點:
[0019]I)本發明避免使用價格昂貴的乙醇鈮為原料，同時不需要HF，生產成本低，過程安全環保，并且工藝簡單，易于工業化生產。
[0020]2)本發明制備的球形Nb2O5電極材料形貌均勻，且具有較好的分散性，球的平均尺寸約為I微米，并且存在大量介孔。
[0021]3)本發明制備的球形Nb2O5電極材料既具有納米材料鋰離子擴散路徑短的優勢又具有微米材料結構穩定的特性，作為鋰離子電池負極材料表現出優異的電化學性能。在100mA/g電流密度下經過60次循環后仍然保持在203.1mAh/g，容量保持率達為99.1 %。
[0022]當然，實施本本發明的任一產品必不一定需要同時達到以上所述的所有技術效果O
【附圖說明】
[0023]此處所說明的附圖用來提供對本本發明的進一步理解，構成本本發明的一部分，本本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本本發明，并不構成對本本發明的不當限定。在附圖中:
[0024]圖1是本發明實施例1制備球形Nb2O5電極材料的X-射線衍射圖；
[0025]圖2是本發明實施例1制備球形Nb2O5電極材料的掃描電鏡(SEM)照片；
[0026]圖3是本發明實施例1制備球形Nb2O5電極材料的透射電鏡(TEM)照片；
[0027]圖4是本發明實施例1制備的球形Nb2O5電極材料在100mA/g電流密度下的前三次充放電曲線圖。
[0028]圖5是本發明實施例1制備的球形Nb2O5電極材料在100mA/g電流密度下的前60次循環性能曲線圖。
【具體實施方式】
[0029]以下將配合附圖及實施例來詳細說明本本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題并達成技術功效的實現過程能充分理解并據以實施。
[0030]實施例1
[0031]I)將氟化鈮與乙酸混合，攪拌24小時，配制成濃度為0.81mol/L的含鈮溶液;本實施例中，氟化鈮作為鈮源，乙酸作為溶劑；
[0032]2)步驟I)所得含鈮溶液轉移到不銹鋼反應釜中，置于恒溫干燥箱中，在150°C下反應36小時，得到沉淀物；
[0033]3)將步驟2)所得的沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數次，然后置于真空干燥箱中在70°C下干燥，得到粉體；
[0034]4)將步驟3)所得粉體置于管式爐中，在420°C下焙燒46小時，即得球形Nb2O5材料。
[0035]如圖1所示，經過上述步驟制得的球形Nb2O5電極材料樣品的衍射峰與標準TOF卡片中Nb205(JCPDS card No: 30-0873)的衍射峰完全吻合，并且衍射峰較寬，說明樣品的顆粒尺寸較小。如圖2所示，經過上述步驟制得的球形Nb2O5電極材料樣品呈現出球形，尺寸約為I微米，并且分散均勻。如圖3所示，經過上述步驟制得的球形Nb2O5材料中存在大量介孔。如圖4所示，經過上述步驟制得的球形Nb205材料樣品在10mA/ g電流密度下的前三次充放電曲線，樣品前三次的放電比容量分別為205.3、201.3和197.9mAh/g。如圖5所示，經過上述步驟制得的球形Nb2O5材料樣品具有較好的循環性能，在100mA/g電流密度下經過60次循環后的放電比容量保持在203.5mAh/g，庫倫效率為99.1 %。
[0036]實施例2
[0037]I)將草酸鈮與甲醇混合，攪拌12小時，配制成濃度為lOmol/L的含鈮溶液;本實施例中，草酸鈮作為鈮源，甲醇作為溶劑；
[0038]2)步驟I)所得含鈮溶液轉移到不銹鋼反應釜中，置于恒溫干燥箱中，在220°C下反應24小時，得到沉淀物；
[0039]3)將步驟2)所得的沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數次，然后置于真空干燥箱中在50°C下干燥，得到粉體；
[0040]4)將步驟3)所得粉體置于管式爐中，在800°C下焙燒I小時，即得球形Nb2O5材料。[0041 ] 實施例3
[0042]I)將碘化鈮與丙酮混合，攪拌0.1小時，配制成濃度為0.0lmol/L的含鈮溶液;本實施例中，碘化鈮作為鈮源，丙酮作為溶劑；
[0043]2)步驟I)所得含鈮溶液轉移到不銹鋼反應釜中，置于恒溫干燥箱中，在220°C下反應18小時，得到沉淀物；
[0044]3)將步驟2)所得的沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數次，然后置于真空干燥箱中在120°C下干燥，得到粉體；
[0045]4)將步驟3)所得粉體置于管式爐中，在1000°C下焙燒2小時，即得球形Nb2O5材料。
[0046]實施例4
[0047]I)將五氯化鈮與異丙醇混合，攪拌6小時，配制成濃度為6.3mol/L的含鈮溶液;本實施例中，五氯化鈮作為鈮源，異丙醇作為溶劑；
[0048]2)步驟I)所得含鈮溶液轉移到不銹鋼反應釜中，置于恒溫干燥箱中，在70°C下反應60小時，得到沉淀物；
[0049]3)將步驟2)所得的沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數次，然后置于真空干燥箱中在90°C下干燥，得到粉體；
[0050]4)將步驟3)所得粉體置于管式爐中，在710°C下焙燒23小時，即得球形Nb2O5材料。[0051 ] 實施例5
[0052]I)將草酸鈮與丙三醇混合，攪拌18小時，配制成濃度為0.29mo 1/L的含鈮溶液;本實施例中，草酸鈮作為鈮源，丙三醇作為溶劑；
[0053]2)步驟I)所得含鈮溶液轉移到不銹鋼反應釜中，置于恒溫干燥箱中，在70°C下反應36小時，得到沉淀物；
[0054]3)將步驟2)所得的沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數次，然后置于真空干燥箱中在50°C下干燥，得到粉體；
[0055]4)將步驟3)所得粉體置于管式爐中，在380°C下焙燒46小時，即得球形Nb2O5材料。
[0056]實施例2至實施例5的測試結果與實施例1的測試結果接近，在此不再贅述。
[0057]本發明具有如下優點:
[0058]I)本發明避免使用價格昂貴的乙醇鈮為原料，同時不需要HF，生產成本低，過程安全環保，并且工藝簡單，易于工業化生產。
[0059]2)本發明制備的球形Nb2O5電極材料形貌均勻，且具有較好的分散性，球的平均尺寸約為I微米，并且存在大量介孔。
[0060]3)本發明制備的球形Nb2O5電極材料既具有納米材料鋰離子擴散路徑短的優勢又具有微米材料結構穩定的特性，作為鋰離子電池負極材料表現出優異的電化學性能。在100mA/g電流密度下經過60次循環后仍然保持在203.1mAh/g，容量保持率達為99.1 %。
[0061]如在說明書及權利要求當中使用了某些詞匯來指稱特定成分或方法。本領域技術人員應可理解，不同地區可能會用不同名詞來稱呼同一個成分。本說明書及權利要求并不以名稱的差異來作為區分成分的方式。如在通篇說明書及權利要求當中所提及的“包含”為一開放式用語，故應解釋成“包含但不限定于” ο “大致”是指在可接收的誤差范圍內，本領域技術人員能夠在一定誤差范圍內解決所述技術問題，基本達到所述技術效果。說明書后續描述為實施本發明的較佳實施方式，然所述描述乃以說明本發明的一般原則為目的，并非用以限定本發明的范圍。本發明的保護范圍當視所附權利要求所界定者為準。
[0062]還需要說明的是，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的商品或者系統不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種商品或者系統所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系統中還存在另外的相同要素。
[0063]上述說明示出并描述了本發明的若干優選實施例，但如前所述，應當理解本發明并非局限于本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用于各種其他組合、修改和環境，并能夠在本文所述發明構想范圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本發明的精神和范圍，則都應在本發明所附權利要求的保護范圍內。
【主權項】
1.一種球形Nb2O5電極材料的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 步驟I):將鈮源與溶劑混合，攪拌0.1-24小時，配制成濃度為0.01-10mol/L的含鈮溶液； 步驟2):步驟I)所述的含鈮溶液轉移到不銹鋼反應釜中，置于恒溫干燥箱中，在預定反應溫度下反應1-66小時，得到沉淀物； 步驟3):將步驟2)所得的所述沉淀物分別用乙醇和去離子水洗滌數次，然后置于真空干燥箱中在預定真空干燥溫度下干燥，得到粉體； 步驟4):將步驟3)所得的所述粉體置于管式爐中，在預定焙燒溫度下焙燒1-66小時，SP得球形Nb205電極材料。2.根據權利要求1所述的一種球形Nb2O5電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟I)中的所述溶劑為乙醇、甲醇、異丙醇、丙三醇、乙酸、丙酮中的一種或幾種。3.根據權利要求2所述的一種球形Nb2O5電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟I)中的所述鈮源為氟化鈮、碘化鈮、草酸鈮、五氯化鈮中的一種或幾種。4.根據權利要求3所述的一種球形Nb2O5電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中的所述預定反應溫度為50-250 °C。5.根據權利要求4所述的一種球形Nb2O5電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中的所述預定反應溫度為70-220 °C。6.根據權利要求5所述的一種球形Nb2O5電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟3)中所述預定真空干燥溫度為50-120Γ。7.根據權利要求6所述的一種球形Nb2O5電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟5)中的所述預定焙燒溫度為300-1200 °C。8.根據權利要求7所述的一種球形Nb2O5電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟5)中的所述預定焙燒溫度為380-1000°C。9.一種根據權利要求1至8任一項所述的球形Nb2O5電極材料的制備方法制備的球形Nb2O5電極材料。
【文檔編號】H01M4/485GK106025255SQ201610492986
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月23日
【發明人】劉光印, 劉小娣, 李政道, 趙強, 毛武濤, 包曉玉, 張瑞雪, 郭佳莉, 季曉廣, 魏銘
【申請人】南陽師范學院