一種碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法，所述碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法為：先制備釩摻雜三鈦酸鈉Na2TiyVxO7，然后采用離子交換法制備得到釩摻雜鈦酸H2TiyVxO7，再將釩摻雜鈦酸H2TiyVxO7在空氣中加熱制備得到釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25，然后將釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25和碳源混勻，在真空或保護氣氛下煅燒，制備得到碳包覆釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25。本發明專利技術的制備方法制備過程簡單，反應無污染，有良好工業應用前景。

【技術實現步驟摘要】
一種碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法
本專利技術屬于納米材料
，具體涉及一種碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法。
技術介紹
鋰離子電池由于能量密度高和循環性能好等特點，在新能源產業發展中受到越來越多的重視。鋰離子二次電池負極材料有石墨、鈦酸鋰、錫合金和硅合金等，其中鈦酸鋰(Li4Ti5O12)是一種有良好應用前景的鋰離子二次電池負極材料，鈦酸鋰電池具有長壽命、高倍率、安全性和優秀的高低溫性能。 鈦酸鋰是一種由金屬鋰和低電位過渡金屬鈦的復合氧化物，尖晶石結構，空間群為Fd3m，不導電，在空氣中能穩定存在。做為鋰離子二次電池負極，充放電過程中，不發生晶型變化，體積變化小于I%，被稱為“零應變材料”。這種穩定致密的結構可以為有限的鋰離子提供進出的通道，使Li4Ti5O12具有比碳負極更優良的循環性能。在充電過程中，Li4Ti5O12晶體嵌入3個鋰離子，生成藍色Li7Ti5O12晶體結構，未過充條件下，不會生成金屬鋰，因此，鈦酸鋰負極材料被認為是安全的鋰電池負極材料。 但是，鈦酸鋰理論克容量只有175mAh/g，較低的克容量限制了其在更多電池應用領域里的發展。 在25°C下，鋰離子在Li4Ti5O12具有較高的化學擴散系數為2X10_8cm2/s，高的擴散系數使鈦酸鋰可以快速、多循環充放電。但Li4Ti5O12自身導電率約10_13S/cm，屬于絕緣體，因此要使其在大電流充放電中獲得應用需要對其進行修飾或改性。 在鈦酸鋰晶體中摻雜金屬離子是一種提高鈦酸鋰自身導電率的一種方法。 2010年日本產業技術綜合研究所(產綜研)開發出了鋰離子充電電池用新型鈦氧化物負極材料H2Ti12O2515 鈦氧化物負極材料H2Ti12O25除了具有鈦酸鋰的優點之外，還具有高克容量225mAh/g,能量密度可以比鈦酸鋰提高三成。 新的鈦氧化物負極材料H2Ti12O25具有和鈦酸鋰相似的結構特點，自身導電率低。 因此，可以在鈦氧化物H2Ti12O25晶體結構里摻雜金屬離子，可以增加鈦氧化物負極材料H2Ti12O25導電性，提高倍率性能。 目前制備碳包覆釩摻雜鈦氧化物H2Ti12O25的方法還未見報道。
技術實現思路
為了提高鈦氧化物H2Ti12O25材料的導電性，本專利技術提出了一種碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法。 本專利技術采用如下技術方案: 一種碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法，其特殊之處在于:包括以下步驟: I)將二氧化鈦、碳酸鈉和五氧化二釩混勻，置于空氣中煅燒，自然冷卻，制備得到釩摻雜三鈦酸鈉Na2TiyVxO7粉末，其中x+y = 3，0彡X彡0.5 ; 2)將鑰;摻雜三鈦酸鈉Na2TiyVxO7浸泡在鹽酸溶液,鈉離子和氫離子離子交換后,在空氣中加熱干燥，制備得到釩摻雜鈦酸H2TiyVxO7，其中x+y = 3，0 < X < 0.5 ; 3)將釩摻雜鈦酸H2TiyVxO7在空氣中加熱制備得到釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25，其中x+z = 12，O ^ X ^ 0.5 ； 4)將釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25和碳源在真空或保護氣氛下煆燒，自然冷卻至室溫，生成碳包覆鈦氧化物H2TizVxO2515 上述二氧化鈦的晶型為金紅石型、銳鈦礦型、板鈦礦型或無定型； 所述碳源包括浙青、淀粉、葡萄糖、麥芽糖、檸檬酸、環糊精、醋酸纖維、環氧樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、糠醛樹脂、聚乙烯醇和聚乙二烯中的一種或幾種。 上述碳源和釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25粉末的質量百分比為I?20:100 ; 上述保護氣體為氮氣、氦氣和氬氣的一種或多種。 上述步驟I)煅燒條件為:在空氣氣氛中，以2?5°C /分鐘的速度升溫到500?900°C，并在此溫度下保持5?30小時，反應結束后在空氣氣氛中自然冷卻至室溫。 上述步驟2)加熱條件為:在空氣氣氛中，加熱溫50?100°C，并在此溫度下保持0.5?36小時，然后在空氣氣氛中自然冷卻至室溫。 上述步驟3)煅燒條件為:在空氣氣氛中，以2?5°C /分鐘的速度升溫到200?500°C，并在此溫度下保持0.5?20小時，反應結束后在空氣氣氛中自然冷卻至室溫。 上述步驟4)煅燒條件為:在真空或保護氣體氛圍中，以2?5°C /分鐘的速度升溫到300?500°C，并在此溫度下保持0.5?2小時，然后再繼續以2?5°C /分鐘的速度升溫到500?950°C，并在此溫度下保持0.5?2小時，反應結束后在真空或保護氣體氛圍中自然冷卻至室溫。 本專利技術的有益效果是: 1、本專利技術為鋰離子二次電池負極材料增添了一種新的材料同時提供了該材料的制備方法。 2、本專利技術制備過程簡單，設備要求低，反應過程無污染，產物均一性好，具有良好工業應用前景。 【附圖說明】 圖1是實施例步驟2)生成的釩摻雜鈦酸H2Ti2.Λ.A的XRD譜圖； [0031 ] 圖2是實施例步驟3)生成的釩摻雜鈦氧化物H2Ti11.8V0.2025的XRD譜圖。 【具體實施方式】 下面結合具體的實施例對本專利技術作進一步的說明，但本專利技術并不局限于此。 實施例所用原材料，均為分析純，含量彡99.9%。 實施例 一種碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法，包括以下步驟: 步驟I)釩摻雜三鈦酸鈉Na2TiyVxO7的制備 按摩爾比Na: T1: V = 2:2.8:0.2稱取碳酸鈉4.74g, 二氧化鈦10.0Og,五氧化二釩0.813g混合研磨均勻后，于空氣中800°C煅燒20h，取出重新研磨均勻，再于空氣中800°C煅燒20h，得到黃色固體釩摻雜三鈦酸鈉Na2Ti2.8Va207。 步驟2)釩摻雜鈦酸H2TiyVxO7的制備 用離子交換法，按照分子式摩爾比，取稍過量10% HCl溶液在60 °C浸泡Na2Ti2.8V0.2075天。將離子交換得到的釩摻雜鈦酸H2Ti2.8Va207用超純水和無水乙醇各清洗5次，然后在空氣中60°C加熱干燥I天，碾磨，得到釩摻雜鈦酸H2Ti2.8Va207黃色細微粉末。 步驟3)釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25的制備 將步驟2)制備得到的釩摻雜鈦酸112112.8￥。.207在空氣中250°C加熱5小時，然后冷卻室溫，制備得到釩摻雜鈦氧化物H2Ti11.8Va2025，碾磨得到黃色粉末產物。 步驟4)碳包覆釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25的制備 將步驟3)制備得到的釩摻雜鈦氧化物H2Tin.8V0.2025粉末和葡萄糖按質量比100:10均勻混合，然后置于南京大學儀器廠QM-2SP12型球磨機中氬氣氣氛中球磨6小時。將球磨均勻的混合物樣品置于上海久工電器有限公司JQF1400-30高溫氣氛電爐，抽真空，通99.9%氮氣保護氣，然后以5°C /分鐘的速度升溫到450°C，并在此溫度下保持I小時，然后再繼續以2V /分鐘的速度升溫到900°C，并在此溫度下保持2小時，自然冷卻后，停止通入氮氣，得到灰色碳包覆釩摻雜鈦氧化物H2Ti11.8Va2025粉末。 權利要求2中其他碳源反應環境和條件均可以達到本實施例同樣結果。 材料性能表征 晶體結構測試在日本島津X射線衍射儀XRD-7000上進行，采用銅靶，掃描速度2° /分本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法，其特征在于：包括以下步驟：1)將二氧化鈦、碳酸鈉和五氧化二釩混勻，置于空氣中煅燒，自然冷卻，制備得到釩摻雜三鈦酸鈉Na2TiyVxO7粉末，其中x+y＝3，0≤x≤0.5；2)將釩摻雜三鈦酸鈉Na2TiyVxO7浸泡在鹽酸溶液，鈉離子和氫離子離子交換后，在空氣中加熱干燥，制備得到釩摻雜鈦酸H2TiyVxO7，其中x+y＝3，0≤x≤0.5；3)將釩摻雜鈦酸H2TiyVxO7在空氣中加熱制備得到釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25，其中x+z＝12，0≤x≤0.5；4)將釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25和碳源在真空或保護氣氛下煅燒，自然冷卻至室溫，生成碳包覆鈦氧化物H2TizVxO25。

【技術特征摘要】
1.一種碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)將二氧化鈦、碳酸鈉和五氧化二釩混勻，置于空氣中煅燒，自然冷卻，制備得到釩摻雜三鈦酸鈉Na2TiyVxO7粉末，其中x+y = 3,0 ^ X ^ 0.5 ； 2)將釩摻雜三鈦酸鈉Na2TiyVxO7浸泡在鹽酸溶液，鈉離子和氫離子離子交換后，在空氣中加熱干燥，制備得到釩摻雜鈦酸H2TiyVxO7，其中x+y = 3，0 < X < 0.5 ; 3)將釩摻雜鈦酸H2TiyVxO7在空氣中加熱制備得到釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25，其中x+z=12,0 ^ X ^ 0.5 ； 4)將釩摻雜鈦氧化物H2TizVxO25和碳源在真空或保護氣氛下煅燒，自然冷卻至室溫，生成碳包覆鈦氧化物H2TizVxO25152.根據權利要求1所述的一種碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法，其特征在于: 所述二氧化鈦的晶型為金紅石型、銳鈦礦型、板鈦礦型或無定型； 所述碳源包括浙青、淀粉、葡萄糖、麥芽糖、檸檬酸、環糊精、醋酸纖維、環氧樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、糠醛樹脂、聚乙烯醇和聚乙二烯中的一種或幾種。3.根據權利要求1所述的一種碳包覆釩摻雜鈦氧化物的制備方法，其特征在于: 所述碳源和鈦氧化物H2TizVxO25的質量百分比為I?20:100。...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐士民，李宏斌，馬毅，徐一丹，都云，劉志堅，陳俊樺，
申請(專利權)人：西安中科新能源科技有限公司，
類型：發明
國別省市：陜西;61