本发明专利技术涉及一种硼掺杂亚微米球TiO2电极材料及其制备方法和在锂离子电池中的应用，具体地公开了一种硼掺杂的TiO2电极材料，所述电极材料为TiO2亚微米球电极材料，亚微米球由金红石型TiO2纳米颗粒组成，其中，亚微米球的尺寸为300～1000nm，纳米颗粒的粒径为10～60nm，按电极材料总摩尔数计，硼元素的摩尔百分含量为0.1%～10%。本发明专利技术的电极材料具有优异的导电性和倍率性能。此外本发明专利技术还公开了一种该电极材料的制备方法和用途。
【技术实现步骤摘要】
硼掺杂亚微米球TiO2电极材料及其制法和在锂离子电池中的应用
本专利技术涉及电池材料领域，具体地涉及一种硼掺杂的亚微米球TiO2电极材料及其制备方法和在锂离子电池中的应用。
技术介绍
近年来，尖晶石钛酸锂与TiO2等钛基负极材料成为锂离子电池电极材料研究的热点。尖晶石钛酸锂作为锂离子的负极材料时，因其具有优异的安全性能、简单的制备工艺、廉价的原材料和无污染等特性，越来越引起人们的关注。Li4Ti5O12与Li/Li+参考电极间的电位势为1.55V，其相对较高的电位势从根本上避免碳电极的不安全性。同时，Li4Ti5O12作为锂离子电池负极材料，在充放电时，锂离子嵌入和脱嵌时对材料结构几乎没有影响，晶胞参数a变化很小，仅从0.836nm增加到0.837nm。因此，Li4Ti5O12被称为“零应变”电极材料，而且Li4Ti5O12骨架具有三维通道有利于Li+的扩散，即使在嵌锂时，几乎没有体积变化，从而有利于获得长的循环使用寿命。虽然Li4Ti5O12的理论容量只有175mAh/g，但由于其可逆锂离子脱嵌比例接近100%，其实际容量一般保持在150?160mAh/g。TiO2与Li4Ti5O12有相似的特征，纳米TiO2在大电流充放电时其体积变化也很小，约3%。同时，在锂离子嵌脱过程中，TiO2化学结构稳定、安全性能较好。通常性能良好的尖晶石Li4Ti5O12都能通过TiO2与LiC03、LiOH等锂源通过相关制备工艺获得。并且，TiO2制备工艺简单，价格低廉，从而能够成为对能量密度要求相对较低，而对成本和循环寿命要求高的储能电池的理想负极材料。同时由于Li+在传统锂离子电池负极极材料中扩散系数比较小，导致电池较慢的充放电速率，影响了锂离子电池在动力机车等更广泛的应用。而调控电极材料的颗粒尺寸，特别是由于小颗粒电极材料能够有效缩短Li+的扩散路径，纳米颗粒可以快速吸附和储存大量的锂离子而不会导致电极材料性能的急速退化。另外，纳米颗粒可以提高电极的比表面积、缩短锂离子的扩散路径和加快电子的传导。正是由于以上纳米尺寸效应的影响，使得研究纳米级TiO2材料是现今负极材料研究的一个重要方向。但是，纳米粒子具有较高的表面自由能和表面反应活性，可能会造成电解液在电极表面的分解反应。而且一般商业用的锂离子电池隔膜的孔径在微米量级，某些超细的纳米材料颗粒在充放电过程中从表面脱落后容易穿过隔膜沉积在对电极上，会导致电池容量下降。综上所述，微纳分级结构的二氧化钛负极材料成为解决以上问题的有效方法之一。另一方面，二氧化钛由于是宽禁带半导体，导电性不好，这严重影响了其在锂离子电池领域的应用。因此有必要在不改变二氧化钛独特的微纳分级结构的基础上，通过对二氧化钛进行掺杂改性，提高二氧化钛的导电性能，特别是提高基于微纳分级结构的二氧化钛负极材料锂离子电池的循环及倍率性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新型的TiO2电极材料及其制备方法和应用。通过对TiO2进行硼掺杂，从而得到具有相对于未掺杂TiO2较好导电性和优异倍率性的电极材料。在本专利技术第一方面中，提供了一种硼掺杂的TiO2电极材料，所述电极材料为TiO2亚微米球电极材料，所述亚微米球由金红石型TiO2纳米颗粒组成,其中，所述亚微米球的尺寸为300?IOOOnm,优选为350?750nm ；所述纳米颗粒的粒径为10?60nm,优选为15?40nm ；按电极材料总摩尔数计，硼元素的摩尔百分含量为0.1%?10%，优选为0.5%?6.0%。在本专利技术第二方面中，提供了一种本专利技术第一方面所述电极材料的制备方法，所述方法包括以下步骤:(a)分别提供溶液A和溶液B，其中，溶液A为钛化合物的醇溶液，溶液B为硼化合物的水溶液；(b)将步骤(a)中的溶液A和溶液B进行反应后，分离得到沉淀物；(C)将所得沉淀物依次进行洗涤、烘干、煅烧和研磨，得到所述的电极材料。在另一优选例中，步骤(b)中，将步骤(a)中的溶液A和溶液B混合并搅拌进行反应。在另一优选例中，步骤(a)中，钛化合物与硼化合物的质量比为15?100:1?5，优选为15?30:1?5。在另一优选例中，所述的醇溶液选自:乙醇、乙二醇、丙醇、丙二醇、丙三醇、丁醇、丁二醇或其组合。在另一优选例中，所述的钛化合物选自:四氯化钛、三氯化钛、硫酸钛、钛酸四乙酯、钛酸四异丙酯、钛酸四正丁酯或其组合。在另一优选例中，所述硼化合物选自:硼酸、无水硼酸、硼酸三乙酯或其组合。在另一优选例中，步骤(b)中，所述反应在50?80°C下进行，所述反应进行8?24h。在另一优选例中，步骤(C)中，所述煅烧在500?850°C下进行，所述煅烧进行I?24小时。在另一优选例中，步骤(C)中，所述煅烧温度缓慢升高；典型地，每分钟以2_20°C，较佳地3-15°C，最佳地4?10°C的速度升温。在另一优选例中，步骤(C)中，所述煅烧在选自下组的气氛中进行:氩气、氢气和氩气、氮气、氢气和氮气、空气。在本专利技术第三方面中，提供了一种本专利技术第一方面所述电极材料的用途，所述材料用于制备储能电极材料。在另一优选例中，所述储能电极材料包括锂离子二次电池、镍镉电池。在本专利技术第四方面中，提供了一种锂离子二次电池，所述锂离子二次电池包含权利要求I所述的硼掺杂的TiO2电极材料。应理解，在本专利技术范围内中，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。【附图说明】图1为实施例1所制得的硼掺杂TiO2亚微米球电极材料的XRD图。图2为实施例1所制得的硼掺杂TiO2亚微米球电极材料的SEM图。图3为实施例1所制得的硼掺杂TiO2亚微米球电极材料的TEM图。图4为实施例1所制得的硼掺杂TiO2亚微米球电极材料分别在0.5C、1C、2C倍率下的循环500次的电池性能曲线图。图5为实施例1所制得的硼掺杂TiO2亚微米球电极材料分别在0.5C、1C、2C、5C、IOC倍率下的循环性能曲线图。图6为对比例I所制得的未掺杂硼的TiO2亚微米球电极材料在IC倍率下的循环性能曲线图。【具体实施方式】专利技术人经过广泛深入的研究发现，通过在TiO2电极材料中掺杂硼元素能显著提高TiO2电极材料的导电性能和倍率性能，并通过水热法制备得到了由硼掺杂的金红石型TiO2纳米颗粒组成的亚微米球电极材料，该电极材料适合用于锂离子电池和其他储能电极材料，并且能够在不改变二氧化钛独特的微纳分级结构的基础上有效提高锂离子电池的循环及倍率性能。硼掺杂的TiO2电极材料及其制备方法本专利技术的硼掺杂TiO2电极材料为具有亚微米球形貌的TiO2电极材料，该亚微米球是由金红石型TiO2纳米颗粒组成，其中，亚微米球的尺寸为300?lOOOnm，较佳地为350?750nm,纳米颗粒的粒径为10?60nm,较佳地为15?40nm。按电极材料总摩尔数计，硼元素的摩尔百分含量为0.1%?10%，优选为0.5%?6.0%专利技术人经过反复大量的试验发现，当硼掺杂量低于0.1%时，对电极材料的物理性能(如导电性)影响较小，性能提高不明显，而硼掺杂量高于10%时，不利于亚微米球的形成。本专利技术的硼掺杂TiO2电极材料通过水热法进行制备，主要包括以下步骤:(a)分本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种硼掺杂的TiO2电极材料，其特征在于，所述电极材料为TiO2亚微米球电极材料，所述亚微米球由金红石型TiO2纳米颗粒组成，其中，所述亚微米球的尺寸为300～1000nm，优选为350～750nm；所述纳米颗粒的粒径为10～60nm，优选为15～40nm；按电极材料总摩尔数计，硼元素的摩尔百分含量为0.1%～10%，优选为0.5%～6.0%。
【技术特征摘要】
1.一种硼掺杂的TiO2电极材料，其特征在于，所述电极材料为TiO2亚微米球电极材料，所述亚微米球由金红石型TiO2纳米颗粒组成,其中， 所述亚微米球的尺寸为300?lOOOnm，优选为350?750nm ； 所述纳米颗粒的粒径为10?60nm,优选为15?40nm ； 按电极材料总摩尔数计，硼元素的摩尔百分含量为0.1%?10%，优选为0.5%?6.0%。2.一种如权利要求1所述电极材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: (a)分别提供溶液A和溶液B，其中，溶液A为钛化合物的醇溶液，溶液B为硼化合物的水溶液； (b)将步骤(a)中的溶液A和溶液B进行反应后，分离得到沉淀物； (c)将所得沉淀物依次进行洗涤、烘干、煅烧和研磨，得到所述的电极材料。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(a)中，钛化合物与硼化合物的质量比为15?100:1?5，优选为15?30:1?5。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：田华军，韩伟强，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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