可快充的Co掺杂铌氧化物负极材料的制备方法

技术领域

本发明涉及电化学技术领域，具体涉及一种可快充的Co掺杂铌氧化物负极材料的制备方法。

背景技术

由于距离海岸线较远，海底电缆建设困难，大多采用传统柴油发电对岛礁进行能源供给保障，但存在以下缺点：不能满足大规模用电需求；成本高、存在环境污染；战时容易受到攻击。深海岛礁风能、太阳能和波浪能等清洁能源资源丰富，多种新型清洁能源耦合利用的能源供给系统，将是岛礁能源供给的重要方式。但是，清洁能源受环境影响较大，存在不连续性，因此，面向岛礁分布式能源的低成本储能系统开发意义重大。其中，可充电电池由于其长寿命，高能效和工艺简单而被认为是目前最佳的大规模储能系统。为实现深海能源供应全生命周期清洁化，需要开发具有超快倍率性能的先进锂离子电池作为南海岛礁分布式储能系统的储能器件。而商业石墨负极的且易生成锂枝晶从而带来安全问题，这些潜在问题使得石墨并不能满足快充要求。因此，需要寻找一种具有稳定晶体结构和快速扩散动力学的电极材料来替代石墨基负极。

五氧化二铌金属氧化物（Nb

目前，为了缩短锂离子传输路径，增大锂离子传输面积，提高离子反应动力学，现有方法以改性T-Nb

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种可快充的Co掺杂铌氧化物负极材料的制备方法，该方法由五氯化铌和无水氯化钴分别作为铌源和钴源，引入不同含量的金属钴离子改性得到Co-Nb

为实现上述目的，本发明所设计一种可快充的Co掺杂铌氧化物负极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）将对苯二甲酸（BDC）搅拌溶解于N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，充分搅拌直至得到澄清溶液；

2）将五氯化铌和无水氯化钴依次加入步骤1）所得澄清溶液中，充分搅拌至澄清，得到混合液；

3）将步骤2）所得混合液转移到高压反应釜内，将反应釜置于烘箱中进行水热反应；得到反应液；

4）将步骤3）所得反应液进行离心得到沉淀物，利用乙醇洗涤沉淀物，烘干，从而得到前驱体材料；

5）将前驱体材料进行高温煅烧，自然冷却至室温即得到金属离子掺杂改性的Co-Nb

进一步地，所述步骤1）中，对苯二甲酸和N,N-二甲基甲酰胺的质量体积比为0.005-0.085 g/mL。

再进一步地，所述步骤2）中，无水氯化钴与五氯化铌的摩尔比为5-30:100；无水氯化钴与五氯化铌的总质量与澄清溶液的质量体积比为0.005-0.22g/mL。

再进一步地，所述步骤3）中，温度为160-220 ℃，反应时间为12-48h。

再进一步地，所述步骤4）中，烘箱温度为：50-90 ℃，烘干时间为：6-24h。

再进一步地，所述步骤5）中，高温煅烧条件如下：按升温速度为5 ℃/min由室温升温至800 ℃，煅烧时间为：2-4h。

再进一步地，所述负极材料的平均直径小于100nm。

本发明还提供了一种上述方法制备得到的可快充的Co掺杂铌氧化物负极材料，所述可快充的Co掺杂铌氧化物负极材料由五氯化铌和无水氯化钴分别作为铌源和钴源，采用溶胶凝胶法高温煅烧后制成；其中，所述负极材料的平均直径小于100nm，且Co、Nb、O元素在负极材料中均匀分布。

本发明还提供了一种深海储能电池，所述电池包括上述方法制备的可快充的Co掺杂铌氧化物负极材料。

本发明的有益效果：

1.本发明通过在原料中添加钴掺杂剂合成了Co-Nb

2.本发明具有原料廉价、工艺简单环保、产量大、材料电化学性能优异的特点。该方法提供了提高铌基层状氧化物材料快充性能的一种普适改性策略，在大型储能装置要求快速充电的时代条件下，快充锂离子电池具有大规模应用的潜力。

附图说明

图1 是实施例1的Co掺杂铌氧化物负极材料1的合成路线图；

图2是实施例1制备的Co掺杂铌氧化物负极材料1与Nb2O5材料的精修XRD图，图中，2θ指的是衍射角。

图3 是实施例1制备的Co掺杂铌氧化物负极材料1与Nb

图4是实施例1制备的Co掺杂铌氧化物负极材料1与Nb

图5是实施例1制备的Co掺杂铌氧化物负极材料1与Nb

图6是Co-Nb

图7是Co-Nb

图8是Co-Nb

图9是Co-Nb

图10是Co-Nb

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述，以便本领域技术人员理解。

实施例1

一种可快充的Co掺杂铌氧化物负极材料1的制备方法，该方法由五氯化铌和无水氯化钴分别作为铌源和钴源，引入不同含量的钴金属离子改性得到Co-Nb

1）将5 g的对苯二甲酸（BDC）搅拌溶解于200 mL的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中；充分搅拌直至得到澄清溶液；

2）分别称取24mg的无水氯化钴和1g的五氯化铌，然后将无水氯化钴和五氯化铌加入步骤1）所得澄清溶液中，充分搅拌至澄清，得到混合液；

3）将步骤2）所得溶液转移到高压反应釜，并在烘箱里，在温度为220℃条件下水热反应12h；

4）将步骤3）所得反应液进行离心得到沉淀物，利用乙醇洗涤沉淀物，在温度为90℃烘干6h，从而得到前驱体材料；

5）在空气下，按升温速度为5 ℃/min由室温升温至800 ℃，前驱体材料煅烧2h，自然冷却至室温即得到金属离子掺杂改性的Co-Nb

上述方法制备得到的金属离子掺杂改性的Co-Nb

如图2所示，本发明合成的Co-Nb

如图3的精修结构图所示，所合成的材料具有层间和铌-氧多边形结构交替的 “房柱”框架，这有利于锂离子的快速儿稳定的传输。其中，钴离子占据了八面体和双锥体中部分配位较低的铌的活性位点。

如图4的透射电镜图像表明，纳米级Co-Nb

如图5所示，拉曼光谱测试表明，本发明合成的纳米级Co-Nb

实施例2

利用上述实施例1所得的金属离子掺杂改性的Co-Nb

1.采用合成材料作为活性材料制备负极片：

乙炔黑作为导电剂，PVDF作为粘结剂，活性材料、乙炔黑、PVDF的质量比为7:2:1，将它们按比例充分混合后，将其均匀的涂布到铜箔上；

2. 与纯锂电极片组装成扣式锂离子电池：

将涂布好的负极片置于120℃真空烘箱中干燥10h备用。1 mol/L的LiPF

本实施例中，Co-Nb

Co-Nb

Co-Nb

Co-Nb

Co-Nb

实施例3

一种可快充的Co掺杂铌氧化物负极材料2的制备方法，具体步骤如下：

1）将2 g的对苯二甲酸（BDC）搅拌溶解于120 mL的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中；充分搅拌直至得到澄清溶液；

2）分别称取24mg的无水氯化钴和1g的五氯化铌，然后将无水氯化钴和五氯化铌加入步骤1）所得澄清溶液中，充分搅拌至澄清，得到混合液；

3）将步骤2）所得溶液转移到高压反应釜，并在烘箱里，在温度为200℃条件下水热反应18h；

4）将步骤3）所得反应液进行离心得到沉淀物，利用乙醇洗涤沉淀物，在温度为80℃烘干12h，从而得到前驱体材料；

5）在空气下，按升温速度为5 ℃/min由室温升温至800 ℃，前驱体材料煅烧3h，自然冷却至室温即得到金属离子掺杂改性的Co-Nb

实施例4

一种可快充的Co掺杂铌氧化物负极材料3的制备方法，具体步骤如下：

1）将1 g的对苯二甲酸（BDC）搅拌溶解于60 mL的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中；充分搅拌直至得到澄清溶液；

2）分别称取24mg的无水氯化钴和1g的五氯化铌，然后将无水氯化钴和五氯化铌加入步骤1）所得澄清溶液中，充分搅拌至澄清，得到混合液；

3）将步骤2）所得溶液转移到高压反应釜，并在烘箱里，在温度为160℃条件下水热反应48h；

4）将步骤3）所得反应液进行离心得到沉淀物，利用乙醇洗涤沉淀物，在温度为50℃烘干24h，从而得到前驱体材料；

5）在空气下，按升温速度为5 ℃/min由室温升温至800 ℃，前驱体材料煅烧4h，自然冷却至室温即得到金属离子掺杂改性的Co-Nb

实施例5

一种可快充的Co掺杂铌氧化物负极材料4的制备方法，具体步骤如下：

1）将1 g的对苯二甲酸（BDC）搅拌溶解于60 mL的N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中；充分搅拌直至得到澄清溶液；

2）分别称取24mg的无水氯化钴和1g的五氯化铌，然后将无水氯化钴和五氯化铌加入步骤1）所得澄清溶液中，充分搅拌至澄清，得到混合液；

3）将步骤2）所得溶液转移到高压反应釜，并在烘箱里，在温度为160℃条件下水热反应48h；

4）将步骤3）所得反应液进行离心得到沉淀物，利用乙醇洗涤沉淀物，在温度为50℃烘干24h，从而得到前驱体材料；

5）在空气下，按升温速度为5 ℃/min由室温升温至800 ℃，前驱体材料煅烧4h，自然冷却至室温即得到金属离子掺杂改性的Co-Nb

其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。