本發明專利技術公開了一種鈉離子電池的NiTiO3/C負極材料，為由包覆有碳的鈦酸鎳納米顆粒組裝而成的微球狀顆粒。此外，本發明專利技術還公開了該材料的制備方法，將有機酸、鈦源、鎳源和分散性碳源溶解和/或分散在溶劑中并攪拌反應得混合液；再將混合液噴霧干燥得前驅體的納米顆粒，隨后再經煅燒處理制得所述的NiTiO3/C負極材料。本發明專利技術還公開了該材料在制備鈉離子電池負極的應用。本發明專利技術所述的NiTiO3/C負極材料具有優良的電化學性能；采用噴霧干燥法結合高溫熱處理制備出的NiTiO3/C負極材料，加工性好，振實密度高，且該制備方法工藝簡單，生產效率高，生產能力大，成本低廉，極具工業化生產應用潛力。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及鈉離子電池負極材料制備領域，具體涉及一種鈦酸鎳與碳的復合材料及其制備方法及應用。
技術介紹
鋰離子電池由于具有高比容量、高能量密度而廣泛應用于便攜式電子設備和離子電池在大型儲能系統領域的推廣應用。鈉離子電池被視為鋰離子電池的有效替代品已經成為國內外研究熱點。鈉具有和鋰相近的物理化學性質，且鈉資源在地殼中的儲量相當可觀(鋰的地殼豐度為0.006％，鈉的地殼豐度為2.64％)，因而在成本上具有很大的優勢，這也使得鈉離子電池成為一種最具潛力的可用于大規模儲能商業化應用的電池體系。鈉離子的離子半徑(1.02nm)也比鋰離子半徑(0.76nm)大55％，傳統的碳負極如石墨不能實現鈉離子的可逆脫嵌，因此尋找合適的鈉離子電池負極材料成為鈉離子電池推廣應用的關鍵一步。
技術實現思路
本專利技術的目的在于針對現有技術的不足，提供了一種分散性好，無團聚，形狀均勻的NiTiO3/C負極材料(本專利技術中也稱為NiTiO3/C負極復合材料或簡稱為負極材料)。本專利技術的另一目的在于提供一種重復性好、可操作性強、環境友好、成本低廉，具有廣闊的工業化應用前景的一步噴霧干燥方法制備鈉離子電池用NiTiO3/C負極材料的制備方法。本專利技術的另一目的在于提供一種應用于鈉離子電池中具有高充放電比容量、良好倍率性能和循環穩定性能的含上述NiTiO3/C負極材料的負極。本專利技術的目的通過以下技術方案實現：一種鈉離子電池的NiTiO3/C負極材料，為由包覆有碳的鈦酸鎳納米顆粒組裝而成的微球狀顆粒。本專利技術所述的NiTiO3/C負極材料，由包覆有碳源的NiTiO3的納米顆粒經煅燒處理自組裝成的微球狀結構，所述NiTiO3/C的物料及結構特性的負極材料具有良好的電學性能。作為優選，所述的鈉離子電池的NiTiO3/C負極材料，所述的微球狀顆粒粒徑為0.5～3微米；比表面積為30～200m2g-1。進一步優選，所述的NiTiO3/C負極材料中，NiTiO3的質量分數為90％～95％。本專利技術還提供了一種所述的NiTiO3/C負極材料的制備方法，由鎳源、鈦鎳、有機酸、分散性碳源經噴霧干燥、煅燒而成。作為優選，所述的鈉離子電池的NiTiO3/C負極材料的制備方法，將有機酸、鈦源、鎳源和分散性碳源溶解和/或分散在溶劑中并攪拌反應得混合液；再將混合液噴霧干燥得前驅體的納米顆粒，隨后再經煅燒處理制得所述的NiTiO3/C負極材料。本專利技術所述的制備方法中，通過所述的噴霧干燥有助于制得所述的分散性碳源包覆鈦酸鎳內核結構的前驅體納米顆粒(一次納米顆粒)；隨后再經煅燒處理，進而使所述的一次納米顆粒自組裝成所述的微球狀(微米級球型或類球型結構)的NiTiO3/C負極材料。本專利技術方法中，在所述的噴霧干燥過程并結合所述參數條件下的熱處理，可制得形貌為由表面包覆碳的一次納米顆粒自組裝形成的微球狀顆粒的NiTiO3/C負極材料，進而改善材料結構和導電性。本專利技術方法，有助于減少團聚，球形度高且粒徑可控。本專利技術方法加工性好，振實密度高，工藝簡單、效率高、產量大，有利于工業化大規模生產，具有廣泛應用前景；且制得的NiTiO3/C負極材料具有高充放電比容量以及良好的循環穩定性。本專利技術人發現，通過調控噴霧干燥過程的參數范圍有助于制得具有均一形貌的前驅體，進而有助于進一步改善煅燒產物的電學性能。作為優選，噴霧干燥過程的入口風溫為160～200℃，混合液的流量為400～600mL/h。在所述優選的噴霧干燥條件下，有助于制得具有較高純度和特定形貌的鈦酸鎳材料，且可進一步提升最終制得的NiTiO3/C負極材料的電學性能。進一步優選，噴霧干燥過程的入口風溫為170～190℃，混合液的流量為450～550mL/h。最優選，噴霧干燥過程的入口風溫為170～180℃，混合液的流量為500～550mL/h。配合所述的噴霧干燥參數，作為優選，煅燒過程的溫度為600～900℃。本專利技術人發現，在所述的煅燒條件下，制得的材料的電學性能更優異。進一步優選，煅燒過程的溫度為800～900℃。在所述優選的煅燒溫度下有助于制得形貌均一、電學性能優異的NiTiO3/C負極材料。煅燒過程的升溫速率優選為1～10℃/min。煅燒過程在保護性氣氛下進行，所述的保護性氣氛例如可為氮氣氛圍、或惰性氣體氛圍(例如氬氣氛圍)。作為優選，在所述的煅燒溫度下，保溫時間為8～12h。本專利技術所述的分散性碳源不僅作為分散劑，還同時作為碳源；現有的具有分散性能的水溶性有機碳源理論上均可采用。進一步優選，所述的分散性碳源為聚乙二醇、聚苯乙烯、苯乙醇中的至少一種。作為優選，所述的分散性碳源為聚乙二醇，優選的聚乙二醇的分子量小于或等于700。所述的分散性碳源和鈦源的體積比為1∶2～16；優選為1∶4～8。鈦源、鎳源、有機酸及分散性碳源的投加比例關系以保證所制得的NiTiO3/C負極材料中，NiTiO3的質量分數優選在90％～95％之間。作為優選，所述的鎳源為水溶性的鎳化合物及其水合物。本領域技術人員所熟知的可水溶性的無機鎳化合物及其水合物均可用作鎳源。作為優選，所述的鎳源為四水醋酸鎳、二水草酸鎳、乙酰丙酮鎳中的至少一種。進一步優選，所述的鎳源為帶有結晶水的水溶性的鎳化合物。最優選，所述的鎳源為四水醋酸鎳、二水草酸鎳。本專利技術中，所述的鈦源可為本領域技術人員所熟知的可溶解于水或醇溶液中的鈦有機化合物。作為優選，所述的鈦源為鈦酸四丁酯、鈦酸四乙酯、鈦酸異丙酯的至少一種；進一步優選為鈦酸四丁酯。本專利技術中，鈦源的Ti4+和鎳源的Ni2+的摩爾比為1∶1。本專利技術中，添加所述的有機酸，有助于進一步制得形貌均一的前驅體納米材料。所述的有機酸優選為甲酸、醋酸、草酸中的至少一種。更進一步優選，所述的有機酸為醋酸。作為優選，有機酸和鈦源的體積比為0.04～0.06∶0.15～0.35。本專利技術中，作為優選，所述的溶劑為水、C1～4醇中的至少一種。所述的C1～4醇為1～4碳數的單元和/或多元醇，例如甲醇、乙醇、乙二醇、丙三醇等。進一步優選，所述的溶劑為水、乙醇中的至少一種。本專利技術中，采用所優選的溶劑對所述的物料進行溶解和/或分散，攪拌反應制得較為澄清的混合液；隨后再經噴霧干燥、煅燒處理。鈦源、鎳源、有機酸及分散性碳源混合攪拌反應2～4h得混合液。在所述體系下攪拌反應所優選的時間，有助于物料的相互充分反應，進而有助于制得純度較高且具有特定的鈦酸鎳前驅體。本專利技術中，優先將所述的各物料進行單獨溶解，再混合噴霧干燥。作為優選，將有機酸、鈦源分散在溶劑a中得溶液A；將鎳源溶解于水中得溶液B；將分散性碳源溶解于溶劑b中得溶液C；然后將溶液A、溶液B、溶液C混合，攪拌反應得到所述的混合液；所述的溶劑a和溶劑b獨自選自C1～4醇。進一步優選，溶液A中有機酸與溶劑a的體積比為1∶15～25；鈦源與溶劑a的體積比為1∶3～6；更為優選，所述的有機酸為醋酸，溶劑a為乙醇。進一步優選，溶液B中，鎳源的濃度為0.05～0.2g/mL；更優選為0.05～0.15g/mL。進一步優選，溶液C中，分散性碳源與溶劑b的體積比為1∶50～150；更優選，溶劑b為乙醇。本專利技術中，一種更為優選的NiTiO3/C負極材料的制備方法，包括以下步驟：步驟(a)：將醋酸本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種鈉離子電池的NiTiO3/C負極材料，其特征在于，為由包覆有碳的鈦酸鎳納米顆粒組裝而成的微球狀顆粒。
【技術特征摘要】
1.一種鈉離子電池的NiTiO3/C負極材料，其特征在于，為由包覆有碳的鈦酸鎳納米顆粒組裝而成的微球狀顆粒。2.如權利要求1所述的鈉離子電池的NiTiO3/C負極材料，其特征在于，所述的微球狀顆粒粒徑為0.5～3微米；比表面積為30～200m2g-1。3.一種權利要求1或2所述的鈉離子電池的NiTiO3/C負極材料的制備方法，其特征在于，將有機酸、鈦源、鎳源和分散性碳源溶解和/或分散在溶劑中并攪拌反應得混合液；再將混合液噴霧干燥得前驅體的納米顆粒，隨后再經煅燒處理制得所述的NiTiO3/C負極材料。4.如權利要求1所述的鈉離子電池的NiTiO3/C負極材料的制備方法，其特征在于，所述的分散性碳源為聚乙二醇、聚苯乙烯、苯乙醇中的至少一種；所述有機酸為甲酸、醋酸、草酸中的至少一種。5.如權利要求1所述的鈉離子電池的NiTiO3/C負極材料的制備方法，其特征在于，噴霧干燥過程的入口風溫為160～200℃，混合液的流量為400～600mL/h。6.如權利要求5所述的鈉離子電池的NiTiO3/C負極材料的制備方法，其特征在于，煅燒過程的溫度為600～900℃；保...
【專利技術屬性】
技術研發人員：張治安，李煌旭，宋俊肖，李軍明，陳曉彬，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發明
國別省市：湖南;43
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