一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法及其应用

技术领域

本发明属于储能材料领域，具体涉及一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法及其应用。

背景技术

锂离子电池是目前能量密度较高的化学电源，对于未来能源领域的发展有着至关重要的作用，而负极材料是锂离子电池的重要组成部分之一，其成本占电池总成本25％以上，负极材料性能优劣将直接影响到锂离子电池性能及生产成本。传统的碳材料由于其安全性问题及能量密度较低等，进一步研究潜力较小，而具有高比容量的硅类及锡类材料依旧存在一些亟需解决的问题，而“零应变”材料钛酸锂(Li

2011年，Goodenough课题组将TiNb

发明内容

本发明是为了进一步提高铌酸钛材料的离子导电性，提供一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法及其应用，本发明通过稀土元素钕掺杂改善材料的离子导电性，从而提升材料的电化学性能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法，所述方法步骤如下：

步骤一：将钛源化合物与草酸溶于有机溶剂当中，控制Ti与草酸摩尔比为1：3～5，钛离子浓度在0.01～0.2mol/L；

步骤二：将铌源化合物与草酸溶解于蒸馏水中，控制Nb与草酸摩尔比为1：5～7，在60～90℃搅拌溶解，Nb离子浓度在0.02～0.3mol/L；

步骤三：将含稀土元素钕化合物溶解于稀盐酸当中；

步骤四：将步骤一、步骤二和步骤三的溶液混合，控制Ti与Nd的摩尔比为0.995～0.96：0.005～0.04，通过加热搅拌蒸发溶剂制备钕掺杂铌酸钛材料前驱体；

步骤五：将前驱体在高温炉中于800～1400℃下空气气氛中煅烧10～20h，即可得到稀土元素钕掺杂TiNb

一种上述方法制备的稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的应用，所述钕掺杂铌酸钛材料作为负极活性物质应用在锂离子电池中。

本发明相对于现有技术的有益效果为：本发明制备的钕掺杂TiNb

附图说明

图1为实施例1得到的钕掺杂的TiNb

图2为实施例1得到的钕掺杂的TiNb

图3为实施例1得到的钕掺杂的TiNb

图4为实施例1得到的钕掺杂的TiNb

图5为实施例1得到的钕掺杂的TiNb

图6为实施例1得到的钕掺杂的TiNb

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法，所述方法步骤如下：

步骤一：将钛源化合物与草酸溶于有机溶剂当中，控制Ti与草酸摩尔比为1：3～5，钛离子浓度在0.01～0.2mol/L；

步骤二：将铌源化合物与草酸溶解于蒸馏水中，控制Nb与草酸摩尔比为1：5～7，在60～90℃搅拌溶解，Nb离子浓度在0.02～0.3mol/L；

步骤三：将含稀土元素钕化合物溶解于稀盐酸当中；

步骤四：将步骤一、步骤二和步骤三的溶液混合，控制Ti与Nd的摩尔比为0.995～0.96：0.005～0.04，Nd：Ti：Nb摩尔比为x：1-x：2，通过加热搅拌蒸发溶剂制备钕掺杂铌酸钛材料前驱体；蒸发溶剂法对溶液浓度无要求，能完全溶解即可。

步骤五：将前驱体在高温炉中于800～1400℃下空气气氛中煅烧10～20h，即可得到稀土元素钕掺杂TiNb

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法，步骤一中，所述钛源化合物应该能溶解于选择的有机溶剂且不与之发生反应，可为钛酸四丁酯、异丙醇钛或四氯化钛中的一种。

具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法，步骤一中，所述有机溶剂应可与水混溶且钛源及草酸能在其中溶解，为无水乙醇、丙酮或乙腈中的一种或者几种的混合物。

具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法，步骤二中，所述铌源化合物应能溶解于草酸溶液或加热下溶解于草酸溶液，可为水合草酸铌、铌酸或者乙醇铌中的一种。

具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法，步骤三中，所述含稀土元素钕化合物为氧化钕、三氯化钕或者硝酸钕中的一种。钛源、铌源及钕化合物的选取主要是为了能使其溶解在溶剂内，而有机溶剂的选取需要能与水混溶且不会与选择的钛源、铌源及钕化合物发生反应。

具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法，步骤四中，所述加热搅拌蒸发溶剂法温度为40～90℃，蒸发至结晶析出。

具体实施方式七：具体实施方式一所述的一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法，步骤五中，所述高温炉为管式炉、箱式炉或马弗炉中的一种。

具体实施方式八：具体实施方式一所述的一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法，所述钕掺杂铌酸钛材料的制备方法不限，可以替换为球磨法、溶剂热法。球磨法是将Ti、Nb、Nd几种元素的氧化物按比例混合，然后高速球磨制备。溶剂热法是将这几种元素按照步骤一～三类似方法溶解，然后在密封的高压反应釜内控制温度和时间制备。

具体实施方式九：具体实施方式八所述的一种稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的制备方法，步骤四中，所述溶剂热法的温度为120～200℃，时间为5～24h。

具体实施方式十：一种具体实施方式一至九任一项所述方法制备的稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的应用，所述钕掺杂铌酸钛材料作为负极活性物质应用在锂离子电池中，所述锂离子电池由正极片、负极片、隔膜、电解液、铝制外壳或者铝塑膜构成，具体的组合方式按照本领域常规组合方式即可，负极片包含铜箔和负极浆料。

具体实施方式十一：具体实施方式十所述的稀土元素钕掺杂的铌酸钛材料的应用，所述锂离子电池中，负极浆料按照70～95％的钕掺杂铌酸钛材料、2～10％的导电剂和3～20％的粘结剂的质量百分比组成。所述导电剂为乙炔黑、石墨烯、科琴黑、碳纳米管或Super P中的一种或其中几种的混合物。

实施例1：

将0.8451g钛酸四丁酯与1.2474g草酸二水合物溶解于20mL无水乙醇当中，钛酸四丁酯浓度为0.125mol/L，将8.53mg的氧化钕加入到5ml蒸馏水当中，向其中滴加1mol/L稀盐酸直到氧化钕完全溶解，将0.9025g铌酸与3.78g草酸二水合物溶解于50mL蒸馏水当中，在90℃下加热搅拌溶解，铌酸浓度为0.101mol/L，待溶液澄清后将溶解的钛酸四丁酯草酸溶液与氧化钕盐酸溶液加入其中，继续在90℃下搅拌，将溶剂蒸发得到前驱体，将前驱体研磨细以后，将前驱体置于管式炉内，在空气气氛下900℃热处理15h，得到钕掺杂TiNb

本实施例得到的铌酸钛材料可作为负极材料应用在组装扣式锂离子电池中，其中的负极浆料按照80％的铌酸钛材料、10％的导电剂和10％的粘结剂的质量百分比组成。由图1可知，本实施例得到的钕掺杂TiNb

实施例2：

本实施例与实施例1不同之处在于：将实施例1当中的钛酸四丁酯更换为异丙醇钛。

实施例3：

本实施例与实施例1不同之处在于：将实施例1当中的铌酸更换为水合草酸铌。

实施例4：

溶剂热法制备Nd掺杂材料：将0.1752g钛酸四丁酯与0.2810g NbCl

实施例5：

球磨法制备Nd掺杂材料：使用行星式球磨机，按照Nd：Ti：Nb摩尔比为x：1-x：2称取相应质量的Nd