一种改性钛铌氧化物及其制备方法和应用与流程

本技术涉及电池材料，更具体地说，涉及一种改性钛铌氧化物、一种改性钛铌氧化物的制备方法及一种电池。

背景技术：

1、铌酸钛(tno)是一种优异的嵌脱锂材料，在2011年,其第一次以锂离子电池的负极材料的身份进入到科研人员的视野当中，其也展现出了较好的电化学性能，而这也正式将该材料拉入到各国科研人员的视野当中。铌酸钛晶体主要是由共边或是共顶点的tio6八面体与nbo6八面体构成，其所属的空间群是cm/2，为切边reo3构型，这一结构在充放电过程当中能保持较好的稳定性。tno在发生嵌脱锂反应时有3个氧化还原电对(nb5+/nb4+，nb4+/nb3+，ti4+/ti3+)参与，对应5个电子转移，其相对于锂金属的平均电位是1.6v，能够避免电解液在其表面被还原，提升了电池安全性。

2、目前倍受关注的两种铌酸钛材料：tinb2o7与ti2nb10o29分别有着387.6mah/g和396mah/g的理论容量，高于石墨，是lto理论容量的2.2倍，但是其面临与lto相似的困境，其禁带宽度较大(2.92ev)，电子导电性差强人意，而其放电容量也有待提高。这也极大的限制了tno作为锂电负极材料方面的应用。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的是提供一种改性钛铌氧化物及其制备方法和应用，旨在改善现有的铌酸钛禁带宽度较大、电子导电性差及放电容量低的问题。

2、为了实现上述目的，本技术提供一种改性钛铌氧化物，所述改性钛铌氧化物包括钛铌氧化物和掺杂剂，所述掺杂剂包括第一掺杂剂和/或第二掺杂剂，所述第一掺杂剂包括碱金属离子和/或碱土金属离子，所述第二掺杂剂包括过渡金属离子、ⅲa族金属离子或ⅳa族类金属离子中的一种或多种。

3、可选地，所述碱金属离子包括钠离子、钾离子中的一种或多种；和/或

4、所述碱土金属离子包括镁离子；和/或

5、所述过渡金属离子包括铬离子、钒离子中的一种或多种；和/或

6、所述ⅲa族金属离子包括铝离子；和/或

7、所述ⅳa族类金属离子包括硅离子；和/或

8、所述钛铌氧化物包括tinb2o7和ti2nb10o29中的一种或多种；和/或

9、所述改性钛铌氧化物为多孔的球形颗粒。

10、可选地，所述第一掺杂剂与所述钛铌氧化物中钛离子的摩尔比为0.01～0.03；和/或

11、所述第二掺杂剂与所述钛铌氧化物中铌离子的摩尔比为0.01～0.03；和/或

12、所述掺杂剂包括第一掺杂剂和第二掺杂剂时，所述第一掺杂剂与所述第二掺杂剂的摩尔比为(1～3):(1～3)。

13、相应地，本技术实施例还提供一种的制备方法，包括：

14、提供铌源、掺杂剂前驱体和溶剂，混合，进行第一研磨，得到第一中间体溶液；

15、向所述第一中间体溶液中加入钛源，进行第二研磨，得到第二中间体溶液；

16、对所述第二中间体溶液进行干燥，煅烧，得到改性钛铌氧化物；

17、其中，所述掺杂剂前驱体包括第一掺杂剂前驱体和/或第二掺杂剂前驱体，所述第一掺杂剂前驱体包括碱金属源、碱土金属源中的一种或多种，

18、所述第二掺杂剂前驱体包括过渡金属源、ⅲa族金属源和ⅳa族类金属源中的一种或多种。

19、可选地，所述铌源包括五氧化二铌、草酸铌、乙酸铌、硝酸铌、氢氧化铌中的一种或几种；和/或

20、所述碱金属源包括钠源、钾源中的一种或多种，其中，所述钠源包括氯化钠、碳酸钠中的一种或多种，所述钾源包括氯化钾、碳酸钾中的一种或多种；和/或

21、所述碱土金属源包括镁源，其中，所述镁源包括氧化镁、氯化镁、碳酸镁中的一种或多种；和/或

22、所述过渡金属源包括铬源、钒源中的一种或多种，其中，所述铬源包括氯化铬、三氧化二铬中的一种或多种，所述钒源包括三氯氧钒、四氯化钒、三氯化钒中的一种或多种；和/或

23、所述ⅲa族金属源包括铝源，所述铝源包括氧化铝、氯化铝、硝酸铝；和/或

24、所述ⅳa族类金属源包括硅源，所述硅源包括氧化硅；和/或

25、所述溶剂包括水、乙醇、甲醇、异丙醇中的一种或几种；和/或

26、所述钛源包括二氧化钛、钛酸四丁脂、氯化钛、偏钛酸、硫酸氧钛、四异丙醇钛中的一种或几种。

27、可选地，所述第一中间体溶液中，所述铌源的d50粒径为0.14μm～0.16μm；和/或

28、所述钛源为钛源颗粒，所述钛源颗粒的d50粒径为1.10μm～1.18μm；和/或

29、所述第二中间体溶液包括第二中间体和溶剂，所述第二中间体d50粒径为0.15μm～0.21μm。

30、可选地，所述铌源和所述溶剂的质量比为1:4～1:10；和/或

31、所述铌源和所述钛源的摩尔比为(2:0.98)～(2:1.02)；和/或

32、所述第一掺杂剂前驱体中的阳离子与所述钛源中钛离子的摩尔比为0.01～0.03；和/或

33、所述第二掺杂剂前驱体中的阳离子与所述铌源中的铌离子的摩尔比为0.01～0.03；和/或

34、所述第一掺杂剂前驱体中的阳离子与所述第二掺杂剂前驱体中的阳离子的摩尔比为(1～3):(1～3)。

35、可选地，所述第一研磨的转速高于所述第二研磨的转速；和/或

36、所述第一研磨的转速为2500rpm～4000rpm；和/或

37、所述第一研磨的时间为10h～20h；和/或

38、所述第二研磨的转速为1000rpm～2500rpm；和/或

39、所述第二研磨的时间为0.5h～1h。

40、可选地，所述干燥包括喷雾干燥或鼓风烘箱干燥；和/或

41、所述煅烧在惰性气体气氛中进行，所述煅烧包括以v的速率升温至温度t，保温一段时间t。

42、进一步地，所述喷雾干燥的进口温度为280℃～300℃；和/或

43、所述喷雾干燥的出口温度为108℃～112℃；和/或

44、所述喷雾干燥的空气压力为0.2bar～0.8bar；和/或

45、所述喷雾干燥的气流量为5m3/h～10m3/h；和/或

46、所述喷雾干燥的进料速度为20rpm～50rpm；和/或

47、所述鼓风烘箱干燥的温度为60℃～100℃；和/或

48、所述鼓风烘箱干燥的时间为6h～48h；和/或

49、所述v为3～5℃/min；和/或

50、所述t为1000～1200℃；和/或

51、所述t为2～4h。

52、可选地，所述铌源和所述溶剂混合的时间为2～4h；和/或

53、所述煅烧后，还包括筛分，得到改性钛铌氧化物的粒度为150目～300目。

54、相应地，本技术实施例还提供一种电池，所述电池包括正极、负极，所述正极的改性钛铌氧化物包括上述改性钛铌氧化物或由上述制备方法制得的改性钛铌氧化物。

55、本技术具有如下有益效果：

56、本发明通过在钛铌氧化物中掺杂碱金属离子、碱土金属离子、过渡金属离子、ⅲa族金属离子或ⅳa族类金属离子，改变铌酸钛晶体能带结构，减小禁带宽度，以此提升铌酸钛改性钛铌氧化物的电子导电性，扩大改性钛铌氧化物的晶面间距，提高改性钛铌氧化物的放电容量；通过在分别在钛位和铌位进行掺杂，在合成改性钛铌氧化物过程中掺杂元素的量会占被掺杂元素的量，掺杂后的改性钛铌氧化物具有最佳的掺杂位点，电化学性能好，放电容量高。