两步合成核壳Ag@TiO2复合物的方法和作为锂离子电池负
极的应用
技术领域
[0001] 本
发明属于用于
锂离子电池负极的材料,特别是涉及Ag@TiO2复合物。
背景技术
[0002] 随着信息技术不断的发展以及人们对环保意识的不断提高,开发高容量、可循环、无污染的绿色材料成为人类亟待解决的问题。在储能材料中,锂离子电池
正极材料的开发空间较少,因而
负极材料成为提高电池
能量及
循环寿命的重要研究对象。已经商业化的
碳负极材料的实际容量已接近其理论值,进一步提高该材料的
嵌锂容量的潜
力很小。同时,
石墨基负极的嵌锂电位接近金属锂电位,锂在其中扩散速度较低,在高倍率充电时,锂可能在表面析出,电池的安全性存在隐患。因此,寻找锂离子传输路径短、嵌锂性能好、
比容量高的新型负极材料成为工业界持续关注的重要研究领域。在本
发明人提出的“一种高容量锗钴
合金锂离子电池负极材料及制备方法”(发明
专利申请号2012100044532)中以碳粉为还原Ge和Co的
氧化物,生成Ge-Co
二元合金或二元金属间化合物。化合物为1微米~100微米的多晶颗粒,可逆容量最高为900mAh/g,循环40次≥750mAh/g,比容量保持在83.3%。然而,在存在载流粒子
半导体材料中,TiO2也是一种很有研究价值的半导体材料,它以其较大的
比表面积、可调控的孔径等独特的性能被广泛应用于光催化、
太阳能电池、
传感器以及环境
净化等领域。在本领域,Junghyun Choi等人采用溶胶-凝胶法合成TiO2
纳米线,循环100次后可逆容量保持为85.7%。(Junghyun Choi,Sangkyu Lee, Jaehwan Ha,Taeseup Song,Ungyu Paik,RSC Nanoscale, 2013, 5, 3230–3234)。但
电子导电率低,在锂离子嵌入与脱嵌过程中伴随着体积的剧烈变化,导致TiO2首次不可逆容量较高,电化学性能衰减较快,限制了其应用。Ag包覆中空
核壳结构的TiO2可以缩短锂离子传输路径,且比表面积较大,脱嵌锂可逆性好,一定程度上提高了
电极容量、延长了电池的使用寿命,有望成为替代商业石墨电极的材料之一。关于锂离子电池Ag@TiO2核壳负极材料在制备方法多采用
模版法、溶胶-凝胶等方法,如通过溶胶-凝胶法及
银镜法使Ag附着在
纳米粒子上,表达其电化学性能(Ben-Lin He, Bin Dong, Hu-Lin Li,Electrochemistry Communications 2007,9,425–430)。
发明内容
[0003] 针对
现有技术工艺复杂,耗时长,成本高,产率低等不足,本发明的目的旨在提出一种醇热法合成球形中空核壳结构TiO2,再以浸渍
煅烧使掺杂的Ag包覆核壳TiO2表面,使TiO2在掺杂Ag后仍保持原形貌的两步合成核壳Ag@TiO2复合物的方法,并使产物作为Ag@TiO2复合锂离子电池负极材料具有电化学比容量高、循环
稳定性好、成本低,便于产业化生产的特点。
[0004] 本发明的目的通过以下方式实现:(一)两步合成核壳Ag@TiO2复合物的方法
该方法包括以下步骤:
(1)以Ti(OC4H9)4为溶质、以纯度>99.0%
乙醇、纯度>99.0%甘油、纯度>99.5%乙醚为
溶剂,量取3.4mL Ti(OC4H9)4,23.4 mL乙醇,11.7 mL甘油,11.4mL的乙醚,使之充分混合,所得溶液转入聚四氟乙烯反应釜中于110~180℃反应6~48小时,冷却至室温,蒸馏
水或乙醇洗涤,60℃烘干,取出产物于450℃下
焙烧2~6h,得到球状空心核壳结构TiO2;
(2)向所制备的TiO2中滴加浓度为0.1mol/L的
硝酸银溶液,搅拌浸渍2h,干燥后焙烧,冷却至室温,制得球状Ag@TiO2复合物。
[0005] 所述的步骤(2)进一步为取浓度0.1mol/L的硝酸银4.3mL溶液加入到0.4615g的TiO2 中,100℃
真空干燥,所得粉末在450℃焙烧1h,冷却至室温,制得球状Ag@TiO2复合物。
[0006] 所述步骤(2)的Ag@TiO2复合物为1~50μm的核壳球形,且每个微球是由20~30nm的
纳米棒组成,结晶度高。
[0007] (二)本发明核壳Ag@TiO2复合物作为高容量锂离子电池的负极材料的应用将核壳Ag@TiO2复合物加10 wt%的导电剂
乙炔黑、10 wt%的粘结剂制成浆料,均匀涂于
铜铂上烘干、卡成圆形极片,与金属锂组成电池。
[0008] 本发明以醇热法制备TiO2过程中,当过量的乙醇、甘油、乙醚将使产物变成实心球且形貌大小不一,因而,乙醇、甘油及乙谜的比例构成了本发明的特征之一。并且,在其它配比下,即使能够制备球形中空壳Ag@TiO2,其比容量也较低,循环性能衰减较快。作为反例,我们用以下具体实施方式中
实施例7说明,当取与以上配比不同的Ti(OC4H9)4、乙醇、甘油及乙醚混合,所得溶液在相同条件下反应后制备的Ag@TiO2,其产物在五次放电后,可逆容量低于110mAh/g,循环200次后容量保持率也较低。通过试验证明本发明具有的显著特点和进步是:
本发明采用醇热法以Ti(OC4H9)4为
钛源,以乙醇、甘油和乙醚作为溶剂,在一定
温度下醇解Ti(OC4H9)4,醇解出球形中空核壳结构TiO2,再由浸渍焙烧使掺杂的Ag包覆在核壳TiO2表面,两步合成制备Ag@TiO2复合物材料,得到结晶度较高、且结构均匀的球状空心核壳结构的Ag@TiO2复合物。本发明工艺过程简单、成本低,耗时较少、产率高,以优选方法所合成Ag@TiO2复合物均为20~30nm的纳米棒组成的直径在2μm左右的核壳形小球,有效地保持了TiO2的形貌,结晶度高、比表面积较大。
[0009] 利用本发明方法制备的Ag@TiO2
复合材料作为锂离子电池负极材料,利于锂离子在材料中脱嵌,缓冲了材料在脱嵌锂过程中的体积变化,比容量高、循环性能稳定,可逆容量最高达到217mAh/g,五次放电容量稳定保持在190mAh/g,循环200次后仍保持在170mAh/g以上,容量保持率为89.5%。从而提高了材料的循环稳定性,具有产业化应用前景。
[0010] 本发明提出的Ag@TiO2复合物制备方法对于促进Ti基材料在锂离子电池中的实际应用具有重要的意义。
附图说明
[0011] 图1为本发明合成的TiO2试样XRD图:(a)TiO2前驱体;(b)450℃焙烧4h的TiO2;(c)Ag@TiO2,反应温度为110℃,反应时间为24h。
[0012] 图2为本发明合成的Ag@TiO2试样的EDX图,反应温度为110℃,反应时间为24h。
[0013] 图3之(a)和(b)分别为110℃保温24h,450℃煅烧4h的球状空心核壳结构TiO2的SEM和TEM,(c)和(d)分别为经硝酸银包覆的Ag@TiO2的SEM和TEM。
[0014] 图4为本发明合成的TiO2、Ag@TiO2 在
电流密度为2 C (1 C=175 mAhg-1) 时,200次循环后 Ag@TiO2试样的充放电曲线。图中插图是扫描速率为0.05 mVs-1时Ag@TiO2试样的循环伏安曲线。
[0015] 图5为本发明合成的TiO2、Ag@TiO2 在电流密度为2 C(1 C=175 mAhg-1)时,Ag@TiO2试样的比容量曲线图。
[0016] 以下结合实施例对本发明做进一步说明,实施例包括但不限制本发明所保护的范围。
具体实施方式
[0017] 实施例1:以Ti(OC4H9)4(纯度>99.0%)、乙醇(纯度>99.0%)甘油(纯度>99.0%)、乙醚(纯度>99.5%)为初始原料,量取3.4ml的Ti(OC4H9)4,23.4 ml 乙醇,11.7 ml 甘油,11.4ml的乙醚,使之充分混合,将
混合液转入100ml聚四氟乙烯反应釜中,在
马弗炉中升温至110℃,保温18小时,自然冷却至室温。用蒸馏水、乙醇洗涤数次,60℃干燥12h,将产物于450℃下焙烧2 h。
[0018] 向上述合成的材料中用浓度0.1mol/L的硝酸银4.3mL溶液滴加到0.4615g的TiO2 中,搅拌浸渍2h,随后100℃真空干燥,所得粉末在450℃焙烧1h,冷却至室温,制得最终产物Ag@TiO2复合材料。
[0019] 将合成的材料加10 wt%的导电剂乙炔黑,10 wt%的粘结剂PVDF制成浆料,均匀涂于铜铂上,烘干后,卡成圆形极片,与金属锂组成试验电池,进行恒电流充放电实验,充放电电流为200mA/g,充放电
电压范围控制在1.0-3V之间。制备的Ag@TiO2,五次放电后,容量保持在160mAh/g,循环200次后仍保持在130mAh/g以上,容量保持率为81.3%。 [0020] 实施例2:以Ti(OC4H9)4(纯度>99.0%)、乙醇(纯度>99.0%)甘油(纯度>99.0%)、乙醚(纯度>99.5%)为初始原料,量取3.4ml的Ti(OC4H9)4,23.4 ml 乙醇,11.7 ml 甘油,11.4ml的乙醚,使之充分混合,将混合液转入100ml聚四氟乙烯反应釜中,在马弗炉中升温至110℃,保温24小时,自然冷却至室温。用蒸馏水、乙醇洗涤数次,60℃干燥12h,将产物于450℃下焙烧4 h。
[0021] 向合成的材料中滴加0.1mol/L的硝酸银溶液,搅拌浸渍2h,随后100℃真空干燥,所得粉末在450℃焙烧1h,冷却至室温,制得最终Ag@TiO2复合材料。
[0022] 将合成的材料加10 wt%的导电剂乙炔黑,10 wt%的粘结剂PVDF制成浆料,均匀涂于铜铂上,烘干后,卡成圆形极片,与金属锂组成试验电池,进行恒电流充放电实验,充放电电流为200mA/g,充放电电压范围控制在1.0-3V之间。制备的Ag@TiO2最大可逆容量为217mAh/g,五次放电后,容量保持在190mAh/g,循环200次后仍保持在170mAh/g以上,容量保持率为89.5%。
[0023] 实施例3:以Ti(OC4H9)4(纯度>99.0%)、乙醇(纯度>99.0%)甘油(纯度>99.0%)、乙醚(纯度>99.5%)为初始原料,量取3.4ml的Ti(OC4H9)4,23.4 ml 乙醇,11.7 ml 甘油,11.4ml的乙醚,使之充分混合,将混合液转入100ml聚四氟乙烯反应釜中,在马弗炉中升温至110℃,保温48小时,自然冷却至室温。用蒸馏水、乙醇洗涤数次,60℃干燥12h,将产物于450℃下焙烧6h。
[0024] 向合成的材料中滴加0.1mol/L的硝酸银溶液,搅拌浸渍2h,随后100℃真空干燥,所得粉末在450℃焙烧1h,冷却至室温,制得最终Ag@TiO2复合材料。
[0025] 将合成的材料加10 wt%的导电剂乙炔黑,10 wt%的粘结剂PVDF制成浆料,均匀涂于铜铂上,烘干后,卡成圆形极片,与金属锂组成试验电池,进行恒电流充放电实验,充放电电流为200mA/g,充放电电压范围控制在1.0-3V之间。制备的Ag@TiO2,五次放电后,容量保持在120mAh/g,循环200次后仍保持在90mAh/g以上,容量保持率为75%。
[0026] 实施例4:以Ti(OC4H9)4(纯度>99.0%)、乙醇(纯度>99.0%)甘油(纯度>99.0%)、乙醚(纯度>99.5%)为初始原料,量取3.4ml的Ti(OC4H9)4,23.4 ml 乙醇,11.7 ml 甘油,11.4ml的乙醚,使之充分混合,将混合液转入100ml聚四氟乙烯反应釜中,在马弗炉中升温至180℃,保温6小时,自然冷却至室温。用蒸馏水、乙醇洗涤数次,60℃干燥12h,将产物于450℃下焙烧4 h。
[0027] 向合成的材料中滴加0.1mol/L的硝酸银溶液,搅拌浸渍2h,随后100℃真空干燥,所得粉末在450℃焙烧1h,冷却至室温,制得最终产物Ag@TiO2复合材料。
[0028] 将合成的材料加10 wt%的导电剂乙炔黑,10 wt%的粘结剂PVDF制成浆料,均匀涂于铜铂上,烘干后,卡成圆形极片,与金属锂组成试验电池,进行恒电流充放电实验,充放电电流为200mA/g,充放电电压范围控制在1.0-3V之间。制备的Ag@TiO2,五次放电后,容量保持在110mAh/g,循环200次后仍保持在84mAh/g以上,容量保持率为76.3%。 [0029] 实施例5:以Ti(OC4H9)4(纯度>99.0%)、乙醇(纯度>99.0%)甘油(纯度>99.0%)、乙醚(纯度>99.5%)为初始原料,量取3.4ml的Ti(OC4H9)4,23.4 ml 乙醇,11.7 ml 甘油,11.4ml的乙醚,使之充分混合,将混合液转入100ml聚四氟乙烯反应釜中,在马弗炉中升温至150℃,保温12小时,自然冷却至室温。用蒸馏水、乙醇洗涤数次,60℃干燥12h,将产物于450℃下焙烧4 h。
[0030] 向合成的材料中滴加0.1mol/L的硝酸银溶液,搅拌浸渍2h,随后100℃真空干燥,所得粉末在450℃焙烧1h,冷却至室温,制得最终产物Ag@TiO2复合材料。
[0031] 将合成的材料加10 wt%的导电剂乙炔黑,10 wt%的粘结剂PVDF制成浆料,均匀涂于铜铂上,烘干后,卡成圆形极片,与金属锂组成试验电池,进行恒电流充放电实验,充放电电流为200mA/g,充放电电压范围控制在1.0-3V之间。制备的Ag@TiO2,五次放电后,容量保持在130mAh/g,循环200次后仍保持在100mAh/g以上,容量保持率为76.9%。 [0032] 实施例6:以Ti(OC4H9)4(纯度>99.0%)、乙醇(纯度>99.0%)甘油(纯度>99.0%)、乙醚(纯度>99.5%)为初始原料,量取3.4ml的Ti(OC4H9)4,23.4 ml 乙醇,11.7 ml 甘油,11.4ml的乙醚,使之充分混合,将混合液转入100ml聚四氟乙烯反应釜中,在马弗炉中升温至150℃,保温36小时,自然冷却至室温。取出产物,蒸馏水、乙醇洗涤数次,60℃干燥12h,将产物于
450℃下焙烧4 h。
[0033] 向合成的材料中滴加0.1mol/L的硝酸银溶液,搅拌浸渍2h,随后100℃真空干燥,所得粉末在450℃焙烧1h,冷却至室温,制得最终Ag@TiO2复合材料。
[0034] 将合成的材料加10 wt%的导电剂乙炔黑,10 wt%的粘结剂PVDF制成浆料,均匀涂于铜铂上,烘干后,卡成圆形极片,与金属锂组成试验电池,进行恒电流充放电实验,充放电电流为200mA/g,充放电电压范围控制在1.0-3V之间。制备的Ag@TiO2,五次放电后,容量保持在150mAh/g,循环200次后仍保持在120mAh/g以上,容量保持率为80%。 [0035] 实施例7:以Ti(OC4H9)4(纯度>99.0%)、乙醇(纯度>99.0%)甘油(纯度>99.0%)、乙醚(纯度>99.5%)为初始原料,量取3.4ml的Ti(OC4H9)4,36 ml 乙醇,16.6ml 甘油,16.4ml的乙醚,使之充分混合,将混合液转入100ml聚四氟乙烯反应釜中,在马弗炉中升温至110℃,保温
24小时,自然冷却至室温。用蒸馏水、乙醇洗涤数次,60℃干燥12h,将产物于450℃下焙烧
4h。
[0036] 向合成的材料中滴加0.1mol/L的硝酸银溶液,搅拌浸渍2h,随后100℃真空干燥,所得粉末在450℃焙烧1h,冷却至室温,制得最终Ag@TiO2复合材料。
[0037] 将合成的材料加10 wt%的导电剂乙炔黑,10 wt%的粘结剂PVDF制成浆料,均匀涂于铜铂上,烘干后,卡成圆形极片,与金属锂组成试验电池,进行恒电流充放电实验,充放电电流为200mA/g,充放电电压范围控制在1.0-3V之间。制备的Ag@TiO2,五次放电后,容量保持在100mAh/g,循环200次后保持在65mAh/g以上,容量保持率为65%。