一種電極材料的制備方法技術

本發明專利技術公開了一種電極材料的制備方法，該制備方法包括以下步驟：(1)將包括鈦源原料、以及鈮源原料在內的反應原料混合均勻轉移至坩堝中，置于80℃～1200℃下進行熱處理即得到鈮酸鈦前驅體；(2)將鈮酸鈦前驅體轉移至球磨罐中進行高能球磨處理；經高能球磨處理后，鈮酸鈦前驅體即處理得到用作負極的TiNb

Method for preparing electrode material

The invention discloses a preparation method of the electrode material, the preparation method comprises the following steps: (1) the source of raw materials, including titanium and niobium source of raw materials, reaction raw materials are mixed evenly transferred to the crucible, at 80 to 1200 DEG C under heat treatment to obtain titanium niobate precursor; (2) the niobium titanium precursor to milling tank processing by high-energy ball milling; after ball milling, niobium titanium precursor is obtained as the anode of TiNb

【技術實現步驟摘要】
一種電極材料的制備方法
本專利技術屬于電化學材料制備及能源
，更具體地，涉及一種電極材料的制備方法，制備得到的用作負極的TiNb2O7材料(即鈮酸鈦材料)可作為電極材料(如負極材料)應用于離子電池，尤其是二次鈉離子電池。
技術介紹
伴隨著經濟的發展，化石能源不斷枯竭、環境問題日益突出、溫室效應日益顯著，新能源開發、環境保護、節能減排等技術的開發成為目前人類極為重要和迫切的課題。而化學儲能裝置又是能源系統中重要的一部分，其中鋰電池備受人們關注。但鋰資源限制了鋰電池在儲能領域的發展，科學家們的眼光都轉向資源豐富的鈉離子電池，相比于鋰離子電池的鋰資源，鈉資源具有分布廣泛(在地殼中的豐度為2.3％-2.8％，約為鋰元素的12500倍)，價格廉價的優勢讓鈉離子電池具有可持續的發展。早期，L.G.J.DeHarrt等人將高純度的TiO2粉末和Nb2O5粉末混合后，在1200℃燒結得到TiNb2O7，并將該材料應用于光伏電池的電極材料；2011年，Goodenough教授對TiNb2O7進行了報道，根據Goodenough教授的報道，碳包覆的TiNb2O7在1.0V-2.5V放電區間內，前五周的放電循環容量大約保持在270mAh/g，也有不錯循環壽命。這和已商業化的Li4Ti5O12相比有較大的儲能優勢。總的來說，鈮酸鈦(TiNb2O7)具有穩定的結構，穩定的晶界，較小的體積變化等優勢，但目前并未有科學研究人員將此材料應用于鈉離子電池負極材料。
技術實現思路
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本專利技術的目的在于提供一種電極材料的制備方法，其中通過對關鍵的TiNb2O7材料的表面處理工藝(如高能球磨處理工藝)等進行改進，再配合上TiNb2O7材料前驅體的制備步驟控制TiNb2O7材料的粒徑，與現有技術相比能夠有效解決現有鈉離子電池負極材料儲能效果差、或造價高的問題，使得該TiNb2O7材料非常適用于作為負極材料應用于鈉離子電池，并確保良好的電池性能。為實現上述目的，按照本專利技術的一個方面，提供了一種電極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)前驅體的制備：向包括鈦源原料、以及鈮源原料在內的反應原料中加入液態介質使該液態介質與所述反應原料接觸形成糊狀物，所述反應原料中鈦元素、鈮元素兩者物質的量的比為1：2；接著，將該糊狀物混合均勻，并使所述液態介質揮發，從而將該糊狀物處理成粉狀混合物；然后，將所述粉狀混合物轉移至坩堝中，并將該坩堝置于800℃～1200℃的溫度下進行熱處理即得到鈮酸鈦前驅體；(2)用作負極的TiNb2O7材料的制備：將所述步驟(1)得到的所述鈮酸鈦前驅體轉移至球磨罐中，所述球磨罐內還放置有研磨球，接著對該球磨罐內的所述鈮酸鈦前驅體進行高能球磨處理；經所述高能球磨處理后，所述鈮酸鈦前驅體即處理得到用作負極的TiNb2O7材料。作為本專利技術的進一步優選，所述步驟(2)中，所述球磨罐中還放置有添加劑，所述添加劑的添加量為所述鈮酸鈦前驅體的質量的0.5％～2％；得到的所述用作負極的TiNb2O7材料是將所述高能球磨處理的產物去除所述添加劑后得到的。作為本專利技術的進一步優選，所述步驟(2)中，所述研磨球的直徑包括12mm、6mm和5mm；所述研磨球中直徑為12mm、6mm和5mm的研磨球個數之比為3：2：1，所述研磨球的總重量與所述鈮酸鈦前驅體的重量兩者之比為(12～13)：1；優選的，所述研磨球為瑪瑙研磨球。作為本專利技術的進一步優選，所述步驟(2)中，所述高能球磨處理所用的時間為0.5h～24h。作為本專利技術的進一步優選，所述步驟(2)中，所述步驟(1)得到的所述鈮酸鈦前驅體在轉移至所述球磨罐前，還經過研磨處理。作為本專利技術的進一步優選，所述步驟(1)中，所述鈦源原料為TiO2粉末，所述鈮源原料為Nb2O5粉末，所述液態介質為乙醇、水、丙醇、乙二醇中的至少一種。作為本專利技術的進一步優選，所述步驟(1)中，所述熱處理是在800℃～1200℃的溫度下保溫2h～36h。作為本專利技術的進一步優選，所述步驟(2)中，所述添加劑為單質I；優選的，所述去除所述添加劑，是對經所述高能球磨處理后的產物進行熱處理，使所述添加劑汽化或升華，從而去除所述添加劑。按照本專利技術的另一方面，本專利技術提供了TiNb2O7材料作為電極材料在鈉離子電池中的應用，其特征在于，該TiNb2O7材料為TiNb2O7粉末，該TiNb2O7粉末經過高能球磨處理；優選的，該TiNb2O7材料是作為負極材料。作為本專利技術的進一步優選，所述TiNb2O7材料是利用如上述電極材料的制備方法制備得到的。通過本專利技術所構思的以上技術方案，與現有技術相比，利用TiNb2O7材料作為負極材料應用于鈉離子電池，使該鈉離子電池在大電流下仍有較好的循環性能，為離子電池(尤其是鈉離子電池)負極材料研究提供了新的方向。另一方面，本專利技術中用作負極的TiNb2O7材料的制備方法，通過對TiNb2O7材料進行高能球磨處理，能夠在鈮酸鈦材料表面形成缺陷，當TiNb2O7材料作為鈉離子電池負極時，這些缺陷可用于儲鈉，進一步確保電池性能。本專利技術制得的用作離子電池負極材料的TiNb2O7，非常適用于作為電極材料(尤其是負極材料)應用于二次鈉離子電池中。本專利技術TiNb2O7材料的制備方法是先采用固相燒結法合成鈮酸鈦反應前驅體，再采用高能球磨法制備出帶有一定缺陷的高性能鈮酸鈦鈉電池負極材料。在高能球磨處理過程中，通過控制球磨所采用的研磨球(即瑪瑙小球，包括瑪瑙小球的形狀、重量、個數組成等)，再配合高能球磨處理過程的其他條件(如轉速、球磨時間等)，對鈮酸鈦材料(即TiNb2O7)進行非晶化，能在鈮酸鈦材料表面形成缺陷。此外，本專利技術還通過在高能球磨工藝中引入催化劑(即添加劑，如碘單質等)，提高高能球磨過程中TiNb2O7材料表面缺陷的形成效率，能夠縮短球磨時間，球磨效果可媲美未添加添加劑的長時間球磨效果。附圖說明圖1為本專利技術制備的鈮酸鈦(TiNb2O7)的XRD精修(a)和晶體結構圖(b)；其中，obs代表實驗數據，cals代表計算數據；圖2為本專利技術制備的鈮酸鈦(TiNb2O7)的SEM圖；圖3為本專利技術球磨4h制備的鈮酸鈦(TiNb2O7)的SEM圖；圖4為本專利技術加碘單質球磨30min制備的鈮酸鈦(TiNb2O7)的SEM圖；圖5為本專利技術制備的鈮酸鈦(TiNb2O7)作為鈉電池負極材料在15mAh/g下的充放曲線；圖6為本專利技術球磨4h制備的鈮酸鈦(TiNb2O7)作為鈉電池負極材料在15mAh/g下的充放曲線；圖7為本專利技術加碘單質球磨30min制備的鈮酸鈦(TiNb2O7)作為鈉電池負極材料在15mAh/g下的充放曲線。具體實施方式為了使本專利技術的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本專利技術進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。此外，下面所描述的本專利技術各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。本專利技術提供的制備方法是綜合利用固相燒結法及干燥高能球磨法，具體包括以下步驟：將Nb2O5和TiO2粉末按照摩爾比n(Ti)/n(Nb)＝0.5配料后，加入介質溶劑(如，乙醇、丙醇、水、乙醇-水混合溶劑等)稀釋成白色糊狀物，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種電極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)前驅體的制備：向包括鈦源原料、以及鈮源原料在內的反應原料中加入液態介質使該液態介質與所述反應原料接觸形成糊狀物，所述反應原料中鈦元素、鈮元素兩者物質的量的比為1：2；接著，將該糊狀物混合均勻，并使所述液態介質揮發，從而將該糊狀物處理成粉狀混合物；然后，將所述粉狀混合物轉移至坩堝中，并將該坩堝置于800℃～1200℃的溫度下進行熱處理即得到鈮酸鈦前驅體；(2)用作負極的TiNb

【技術特征摘要】
1.一種電極材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)前驅體的制備：向包括鈦源原料、以及鈮源原料在內的反應原料中加入液態介質使該液態介質與所述反應原料接觸形成糊狀物，所述反應原料中鈦元素、鈮元素兩者物質的量的比為1：2；接著，將該糊狀物混合均勻，并使所述液態介質揮發，從而將該糊狀物處理成粉狀混合物；然后，將所述粉狀混合物轉移至坩堝中，并將該坩堝置于800℃～1200℃的溫度下進行熱處理即得到鈮酸鈦前驅體；(2)用作負極的TiNb2O7材料的制備：將所述步驟(1)得到的所述鈮酸鈦前驅體轉移至球磨罐中，所述球磨罐內還放置有研磨球，接著對該球磨罐內的所述鈮酸鈦前驅體進行高能球磨處理；經所述高能球磨處理后，所述鈮酸鈦前驅體即處理得到用作負極的TiNb2O7材料。2.如權利要求1所述電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述球磨罐中還放置有添加劑，所述添加劑的添加量為所述鈮酸鈦前驅體的質量的0.5％～2％；得到的所述用作負極的TiNb2O7材料是將所述高能球磨處理的產物去除所述添加劑后得到的。3.如權利要求1所述電極材料的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述研磨球的直徑包括12mm、6mm和5mm；所述研磨球中直徑為12mm、6mm和5mm的研磨球個數之比為3：2：1，所述研磨球的總重量與所述鈮酸鈦前驅體的重量兩者...

【專利技術屬性】
技術研發人員：韓建濤，黃洋洋，
申請(專利權)人：華中科技大學，
類型：發明
國別省市：湖北,42