IPC分类号 : C01B32/184,C01G23/00,H01M4/485,H01M4/62,H01M10/054
![一种6-甲基吡啶四氮唑四核铜[I]配合物在刺激响应发光变色材料的应用](https://www.zhichawang.com/youzhi22/CN110699063B/CN110699063B.jpg)
专利摘要
本发明提供了一种H1.07Ti1.73O4/rGO复合物钠离子电池负极材料的制备方法，首先通过一种简易的高温固相反应方法制备了微米尺寸的K0.81Li0.27Ti1.73O4颗粒，K0.81Li0.27Ti1.73O4表面包覆一层带正电荷的高分子材料，与带负电的氧化石墨烯GO溶液混合之后，通过正负电荷吸引，同时K0.81Li0.27Ti1.73O4在酸性环境下与酸反应，制备成H1.07Ti1.73O4@GO的复合结构，然后通过水热，制备H1.07Ti1.73O4@rGO复合材料。H1.07Ti1.73O4@rGO纳米复合材料用于钠离子电池负极，表现出优异的倍率性能和循环稳定性。
权利要求
1.一种H
（1）制备K
（2）将NaCl粉体和聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液加入到去离子水中，搅拌得到离子化水溶液；
（3）将步骤（1）制备的K
（4）配制氧化石墨烯溶液，将步骤（3）得到的K
（5）对步骤（4）得到的沉淀物进行洗涤，洗涤后产物置于反应釜中水热反应，反应后产物冷冻干燥得到H
2.根据权利要求1所述的H
3.根据权利要求2所述的H
4.根据权利要求1所述的H
5.根据权利要求1所述的H
6.根据权利要求1所述的H
7.根据权利要求1所述的H
说明书
技术领域
本发明涉及电化学电源制备领域，具体涉及一种H1.07Ti1.73O4/rGO复合物钠离子电池负极材料的制备方法。
背景技术
随着动力电池的发展，钠离子动力电池具有与锂离子电池可比较的能量密度和功率密度，以及几乎所有锂离子电池的优势，例如充放电速度快、循环寿命长、负载性能好、工作电压高等优点。同时钠离子电池的造价低于锂离子电池，以及钠丰度远远高于锂的丰度。所以在大规模应用以及未来的电化学储能器件中，钠离子电池受到了广泛的关注。钠离子电池负极材料作为提高电池能量及循环寿命的重要因素，开始被广泛研究。同锂离子电池类似，钠离子电池负极材料主要有碳基材料、过渡金属氧/硫化物材料、Sn等合金类材料，及其它们的复合物材料等。为了开发更为安全、大倍率以及长循环稳定的钠离子电池，插层型负极材料现在开始被人们广泛关注。HxTiyOz简称HTO，是一种新型的插层类负极材料，其研究处于初始阶段，其倍率性能以及循环稳定性有待进一步提高。石墨烯是一种高导电性的二维材料，并且具有高的机械性能。HTO导电率比较低，采用石墨烯作为导电层，不仅能够大大提高其导电率，还能够起到三维网状支撑作用，提高整体材料的表面动力学行为，进而提高了电极的倍率及循环性能。
发明内容
本发明提出了一种H1.07Ti1.73O4@rGO（HTO@rGO）复合物钠离子电池负极材料的制备方法，该方法是首先通过一种简易的高温固相反应方法制备了微米尺寸的K0.81Li0.27Ti1.73O4（KLTO）颗粒，利用KLTO表面包覆一层带正电荷的高分子材料，然后与带负电的氧化石墨烯（GO）溶液混合之后，通过正负电荷吸引的方法，同时KLTO在酸性环境下与酸反应，制备HTO负载到GO表面的复合材料，然后水热使GO转化成还原氧化石墨烯(rGO)，同时使HTO与rGO之间成稳定的化学键，制备HTO@rGO复合材料，进而增加复合材料的倍率及循环性能。
实现本发明的技术方案是：
一种H1.07Ti1.73O4/rGO复合物钠离子电池负极材料的制备方法，步骤如下：
（1）制备K0.81Li0.27Ti1.73O4（KLTO）粉末；
（2）将NaCl粉体和聚二烯丙基二甲基氯化铵（英文名称是：poly(diallyldimethylammonium-chloride)），简称PDDA，溶液加入到去离子水中，搅拌得到离子化水溶液；
（3）将步骤（1）制备的K0.81Li0.27Ti1.73O4粉末加入到步骤（2）的离子化水溶液中，强烈搅拌60min后得到KLTO悬浊液；
（4）配制氧化石墨烯溶液，将步骤（3）得到的KLTO悬浊液逐滴加入到氧化石墨烯溶液中，室温下强烈搅拌24h得到沉淀物；
（5）对步骤（4）得到的沉淀物进行洗涤，洗涤后产物置于反应釜中水热反应，反应后产物冷冻干燥得到HTO@rGO负极材料，简称HTO/rGO，此材料用于钠离子电池负极材料。
所述步骤（1）中K0.81Li0.27Ti1.73O4粉末的制备方法为：将碳酸锂、碳酸钾和氧化钛充分混合，然后将混合物加热到1200 ℃烧结12h；烧结结束后，待炉子冷却后取出纯白色粉末；获得的样品在500°C空气气氛中退火4 h，获得纯白色K0.81Li0.27Ti1.73O4粉末。
所述碳酸锂、碳酸钾和氧化钛的质量比为（0.64-0.69）：（1.8-2.2）：（1.32-1.40）。
所述步骤（2）NaCl粉体、聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）和去离子水的质量比为1：5：100。
所述步骤（3）中K0.81Li0.27Ti1.73O4粉末和离子化水溶液的质量比为（1-10）：100。
所述步骤（4）中氧化石墨烯溶液的浓度为0.05-0.1mg/ml，pH值为4-6。
所述步骤（5）中水热反应温度为120-180℃，时间为6-18h，冷冻干燥温度为-30±10 °C，时间为48-72h。
所述HTO@rGO负极材料为H1.07Ti1.73O4微米颗粒负载在rGO表面彼此互相连接构成网状结构的复合结构。
本发明的有益效果是：
（1）采用高温固相方法制备了KLTO微米颗粒并对其表面性质进行调控；
（2）采用简单的静电吸附自组装方法制备HTO/rGO复合结构，这种方法简单易行，适用于大规模生产；
（3）将HTO/rGO负载到rGO微米片上的复合结构，有效的提高了整体的导电性，改善了HTO的表面动力学性能，提高了电池倍率及循环性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例1制备的HTO微米颗粒(a, b)和HTO@rGO复合物(c, d)在不同放大倍率下的扫描电镜图片。
图2为实施例1制备的纯HTO和HTO@rGO复合物的XRD图谱。
图3为实施例1中最终获得的HTO@rGO复合物电极的充放电曲线。
图4为实施例1中中获得的纯HTO和HTO@rGO复合物电极在0.1 A g-1电流密度下的循环稳定性测试。
图5为实施例1中获得的纯HTO和HTO@rGO复合物电极在不同电流密度下的性能测试。
图6为实施例1中获得的纯HTO和HTO@rGO复合物电极在2 A g-1的大电流密度下的循环稳定性测试。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种HTO/rGO复合物钠离子电池负极材料的制备：
(1) KLTO微米颗粒
KLTO微米颗粒通过一种高温固相反应制备方法合成。
制备步骤如下：将碳酸锂（Li2CO3，0.640 g）、碳酸钾（K2CO3，1.8 g）和氧化钛（TiO2，1.32 g）充分混合，然后将混合物加热到1200 oC烧结12小时。烧结结束后，待炉子冷却后取出纯白色粉末。然后，获得的样品在500°C空气气氛中退火4 h，即可获得纯白色KLTO粉末。
(2) rGO负载HTO微米颗粒复合物材料的合成
首先，氧化石墨烯(GO)通过用改进后的Hummers方法来合成。
其次，1g NaCl和5g PDDA (20%)加入到100ml去离子水溶液中，搅拌半个小时得到离子化的带正电的水溶液。将10 mg步骤（1）得到的纯白色KLTO粉末加入到100mg带正电的水溶液中，强力搅拌60 min后，使KLTO粉末带正电荷。
配置200 ml，0.1 mg/ml的氧化石墨烯溶液，并滴加一定量的HCl调节pH值到5。然后将KLTO悬浊液一滴一滴的加入到GO溶液中，在滴加过程中伴随须状物沉淀产生，并保持在室温23℃下强烈搅拌24小时，使KLTO被酸化成HTO。然后将沉淀物反复清洗，用离心的方法收集。之后将得到的反应物放到50 ml反应釜中，120℃水热反应18小时，随后将得到的产物在-40℃冷冻干燥48小时。然后将产物在氩气保护性气氛下450 ℃退火2小时，即可获得黑色的HTO@rGO粉末。
纽扣电池的装配及电化学性能测试：
在室温下，电化学性能测试是通过CR2032纽扣式电池来进行的。工作电极制备过程如下：首先，将样品材料、乙炔黑和羧甲基纤维素(CMC)按80:10:10的重量比来混合，在混合样品中滴加适量的水，剧烈搅拌10分钟后形成均匀浆料；其次，将所得到的浆料用刮刀均匀地刮涂到铜箔上，然后保持在120 °C下真空干燥12小时，除去溶剂；最后，用冲片机将涂有样品的铜箔压制出小圆片。
采用本实施例获得的HTO/rGO作为正极，钠片作为负极材料，Whatman玻璃纤维隔膜，溶于碳酸次乙酯和碳酸二乙酯中（体积比1:1）的1 M NaPF6为电解液，充放电测试在新威电池测试系统下完成，测试电压范围0.01-3.0 V，测试温度室温，测试电流密度100 mAh g-1。首次放电容量约242 mAh g-1，均高于现有HTO基复合材料，而且HTO/rGO经过大约10次循环活化后，容量开始逐步增加，到110周的时候稳定下来，在250周的时候容量约190 mAh g-1.电化学性能测试结果如图3和图4所示。倍率性能如图5所示。在0.1，0.2，0.5，1.0，2.0，5.0和10.0 A g−1的电流密度下，HTO/rGO的放电容量分别是142.8，131.1，117.7，108.6，96.8，80.7，以及66.7 mA h g−1。在同样电流密度下，HTO的放电容量分别是125.4，92.7，60.6，37.7，15.6，2.8，和2.7 mA h g−1。并且我们的HTO/rGO在大电流密度下，如2 A g-1的情况下，循环1000周之后依然可以放电104 mAh g-1。这些数据证明了用简单方法制备的HTO/rGO具有优异的倍率性能和循环稳定性。
实施例2
一种分层HTO/rGO复合物钠离子电池负极材料的制备：
(1) HTO微米颗粒合成
将碳酸锂（Li2CO3，0.690 g）、碳酸钾（K2CO3，2.2 g）和氧化钛（TiO2，1.40 g）充分混合，然后将混合物加热到1200 oC烧结12小时。烧结结束后，待炉子冷却后取出纯白色KLTO粉末。然后，获得的样品在500 °C空气气氛中退火4小时，即可获得纯白色KLTO粉末。
(2) rGO负载HTO微米颗粒复合物材料的合成
首先，氧化石墨烯(GO)通过用改进后的Hummers方法来合成。其次，1 mg NaCl和5g的PDDA (20%) 加入到100 ml去离子水溶液中，搅拌半个小时得到离子化的带正电的水溶液。
将10 mg步骤（1）得到的纯白色KLTO粉末加入到1000mg带正电的水溶液中，强力搅拌60分钟后，使KLTO粉末带正点。配置400 ml，0.05 mg/ml的氧化石墨烯溶液，并滴加一定量的HCl调节pH值到5。然后将KLTO悬浊液一滴一滴的加入到GO溶液中，在滴加过程中伴随须状物沉淀产生。并保持在室温23 oC下强烈搅拌48小时。使KLTO被酸化成HTO。然后将沉淀物反复清洗，用离心的方法收集。之后将得到的反应物放到50 ml反应釜中，180 oC水热反应6小时，随后将得到的产物在-40 °C冷冻干燥72小时，即可获得黑色的HTO@rGO粉末，样品可以用于钠离子电池负极材料。
实施例3
一种分层HTO/rGO复合物钠离子电池负极材料的制备：
(1) HTO微米颗粒合成
将碳酸锂（Li2CO3，0.670 g）、碳酸钾（K2CO3，2.0 g）和氧化钛（TiO2，1.35g）充分混合，然后将混合物加热到1200 oC烧结12小时。烧结结束后，待炉子冷却后取出纯白色KLTO粉末。然后，获得的样品在500 °C空气气氛中退火4小时，即可获得纯白色KLTO粉末。
(2) rGO负载HTO微米颗粒复合物材料的合成
首先，氧化石墨烯(GO)通过用改进后的Hummers方法来合成。其次，1 mg NaCl和5g的PDDA (20%) 加入到100 ml去离子水溶液中，搅拌半个小时得到离子化的带正电的水溶液。
将10 mg步骤（1）得到的纯白色KLTO粉末加入到200mg带正电的水溶液中，强力搅拌60分钟后，使KLTO粉末带正点。配置200 ml，0.1 mg/ml的氧化石墨烯溶液，并滴加一定量的HCl调节pH值到5。然后将KLTO悬浊液一滴一滴的加入到GO溶液中，在滴加过程中伴随须状物沉淀产生。并保持在室温23 oC下强烈搅拌48小时。使KLTO被酸化成HTO。然后将沉淀物反复清洗，用离心的方法收集。之后将得到的反应物放到50 ml反应釜中，150oC水热反应6小时，随后将得到的产物在-40°C冷冻干燥48小时，即可获得黑色的HTO@rGO粉末。样品可用于钠离子电池负极材料。
实施例4
一种分层HTO/rGO复合物钠离子电池负极材料的制备：
(1) HTO微米颗粒合成
将碳酸锂（Li2CO3，0.650 g）、碳酸钾（K2CO3，2.1 g）和氧化钛（TiO2，1.35 g）充分混合，然后将混合物加热到1200 oC烧结12小时。烧结结束后，待炉子冷却后取出纯白色KLTO粉末。然后，获得的样品在500 °C空气气氛中退火4小时，即可获得纯白色KLTO粉末。
(2) rGO负载HTO微米颗粒复合物材料的合成
首先，氧化石墨烯(GO)通过用改进后的Hummers方法来合成。其次，1 mg NaCl和5g的PDDA (20%) 加入到100 ml去离子水溶液中，搅拌半个小时得到离子化的带正电的水溶液。
将10 mg步骤（1）得到的纯白色KLTO粉末加入到200mg带正电的水溶液中，强力搅拌60分钟后，使KLTO粉末带正点。配置200 ml，0.08 mg/ml的氧化石墨烯溶液，并滴加一定量的HCl调节pH值到6。然后将KLTO悬浊液一滴一滴的加入到GO溶液中，在滴加过程中伴随须状物沉淀产生。并保持在室温23 oC下强烈搅拌48小时。使KLTO被酸化成HTO。然后将沉淀物反复清洗，用离心的方法收集。之后将得到的反应物放到50 ml反应釜中，160oC水热反应10小时，随后将得到的产物在-20°C冷冻干燥60小时，即可获得黑色的HTO@rGO粉末。样品可用于钠离子电池负极材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
一种HTiO/rGO复合物钠离子电池负极材料的制备方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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