一种水系铝离子电池阳极材料及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种水系铝离子电池阳极材料及其制备方法，该材料由二氧化钛纳米树叶组成，二氧化钛纳米树叶的化学组成为TiO1.976(NH)0.024，平均长度为50nm，宽度为10nm，比表面积为314.2m2／g。在诱导剂Brij-30的诱导下，用TALH水溶液作为前驱体；通过液相等离子体方法合成黑色锐钛矿型TiO2；将制备出的二氧化钛纳米树叶作为水系铝离子电池阳极材料，对其进行电化学性能测试。本发明具有制备简单、充放电性能好和循环伏安稳定等优点，二氧化钛纳米树叶是一种很优的铝离子阳极材料，表现出很高储能性能，同时提供了新的比商用锂离子电池更具竞争优势的、低成本铝离子电池系统。此外，这种黑色锐钛矿型TiO2极有可能在吸附剂，催化剂和传感器等方面得到广泛应用。
【专利说明】一种水系铝离子电池阳极材料及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电池材料领域，尤其涉及一种水系铝离子电池阳极材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着经济突飞猛进，能源危机和环境污染日益加剧。电池系统作为一种能源储存装置，极大地引起了人们的研究兴趣。常见的电池系统有:锂离子电池，N1-MH电池和铅离子电池，其中锂离子电池因其具有循环时间长，高倍率性能等优点，因而广泛应用于许多领域，例如移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等等，且越来越多的国家将该电池应用于军事用途，然而巨大的市场需求又造成了锂资源的短缺。同时当前大部分电池系统采用有机物作为电解液，以有机物为电解液的电池系统不可避免都会用到毒性强、易燃易爆的有机物作为溶剂，如果出现充电过度和短路等不当操作都会给使用者带来危险和伤害。关于有机型锂离子电池事故的报道屡见不鲜，并且大部分都是火灾和爆炸事故。因而开始用无毒、易得的水溶液替代有机物作为电池系统的电解介质，但是水系电池的电容、充电速率以及循环稳定性都不如有机相锂离子电池，远远不能满足实际应用的需求，很难吸引投资者的目光，使其产生强烈的兴趣和投资愿望。
[0003]为了解决锂资源短缺和水系电池系统电性能较差的问题，寻找新型水系电池系统势在必行。由于在电化学充放电反应中铝氧化还原电对涉及到三个电子传递过程，与单个电子转移的锂离子电池相 比，铝离子电池具有更大的储存容量。故水系可充电铝离子电池是潜在的可持续能源储存装置。众所周知，电极材料的纳米结构对其能量储存性能有很大的影响，不同的纳米结构储存能量的能力也不同。研究显示:在锂离子电池系统中黑色锐钛矿型二氧化钛是一种优异的高倍率电极材料，以含有具有电子传导能力Ti3+离子的黑色锐钛矿型二氧化钛作为铝离子电池的电极材料具有较好的应用价值和前景。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种水系铝离子电池阳极材料及其制备方法，旨在解决目前锂资源短缺和水系电池系统电性能较差的问题。
[0005]必要技术方案:
[0006]本发明是这样实现的，一种水系铝离子电池阳极材料，该材料由二氧化钛纳米树叶组成，二氧化钛纳米树叶的化学组成为TiOh 976 (NH)atl24，平均长度为50nm，宽度为10nm，比表面积为314.2m2 / g0
[0007]进一步,二氧化钦纳米树叶含有许多纳米孔，为Al3+的储存提供足够的空间。
[0008]进一步，二氧化钛纳米树叶具有较大的表面积，提供了足够的电极/电解质界面，利于Al3+吸附，同时促进电荷转移反应的进行。
[0009]进一步，二氧化钛纳米树叶中含有具有导电性的Ti3+，增加了电子电导率；Ti02纳米树叶晶型良好，结构稳定。[0010]本发明是这样实现的，一种水系铝离子电池阳极材料的制备方法，该方法的步骤包括:
[0011]步骤一、在诱导剂Brij-30的诱导下，用TALH水溶液作为前驱体；
[0012]步骤二、通过液相等离子体方法合成黑色锐钛矿型TiO2 ；
[0013]步骤三、将制备出的二氧化钛纳米树叶作为水系铝离子电池阳极材料，对其进行电化学性能测试。
[0014]进一步，在步骤二中的液相等离子体方法的具体实现过程是，将诱导剂Brij-30和TALH水溶液混匀后的溶液转移到等离子体装置中，进行等离子处理一定时间；反应后将样品分离出来，分别用双蒸水和无水乙醇洗涤。
[0015]进一步，在步骤三中进行的电化学性能测试可以是二氧化钛纳米树叶电极的充/放电曲线和循环伏安曲线。
[0016]本发明提供的一种性能较好的水系铝离子阳极材料及其制备方法，该材料具备制备简单、充放电性能好和循环伏安稳定等优点。制备的二氧化钛纳米树叶化学组成为TiO1I (NH)atl24，平均长度为50nm，宽度为10nm，比表面积为314.2m2 / g。这种二氧化钛纳米树叶还是一种很优的铝离子阳极材料，表现出很高的储能性能。作为铝离子电池的阳极材料，在1.0MAl (NO3)3水溶液中，二氧化钛纳米树叶显示超优的性能，出色的倍率能力，稳定的循环特性。当电流密度高达2.0Ag-1时，仍然能够观察到141.3mAhg^的容量。我们的研究结果表明:目前制备的二氧化钛纳米树叶是一种很优的铝离子阳极材料，表现出很高的储能性能，同时给我们提供一个新的比商用锂离子电池更具竞争优势的、低成本铝离子电池系统。此外，这种黑色锐钛矿型TiO2极有可能在吸附剂，催化剂和传感器等方面得到广泛应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明实施例提供的水系铝离子电池阳极材料的制备方法的流程图。【具体实施方式】
[0018]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0019]本发明实施例是这样实现的，一种水系铝离子电池阳极材料的制备方法，即黑色锐钛矿型二氧化钛纳米树叶的制备:
[0020]量取取IOmLTALH水溶液前驱体和40mL0.5MBrij-30溶液混匀；
[0021]随后将混匀后的溶液转移到等离子体装置中，进行等离子处理一定时间；
[0022]反应后将样品分离出来，分别用双蒸水和无水乙醇洗涤；
[0023]在烘箱中烘干，研磨得到Ti02纳米树叶。
[0024]电化学实验所需工作电极的制备过程:
[0025]将TiO2纳米叶子(80% )加入聚乙二烯二氟化物(10% )和乙炔黑(10% )中进行研磨，然后用超声清洗机使其充分分散在N-甲基吡咯烷酮中，搅拌成糊状。
[0026]将前面制得的复合物均匀涂在直径为2mm的Pt盘电极上，然后放于烘箱中100°C烘干备用。最终工作电极上共有3mg活性材料。
[0027]电化学性能测试:
[0028]采用传统的三电极电解池来测试电极的电化学性能，Pt圆盘和一个饱和甘汞电极分别作为对电极和参考电极，电解液为1.0M Al (NO3)3溶液。电化学测量使用的是荷兰生产的μ-Autolab恒电位仪,TypeIII,FRA2。阻抗测量的参数为:频率500kHz-5mHz,交流电压振幅10mV，采样间隔为5s。
[0029]二氧化钛纳米树叶电极循环伏安曲线测试实验结果证明:Ti02纳米树叶电极的峰强度和峰面积都优于商用白色二氧化钛，这说明其具有更高的容量。在后来持续的循环中两者的CV曲线几乎没有变化，这表明电化学反应是稳定的和可逆的。
[0030]二氧化钛纳米树叶电极充放电性能测试实验结果发现:在电压为-1.4~-0.4V，电流密度为0.05A / g，在100次循环后，二氧化钛纳米树叶表现出一个完全可逆的容量为254.6mAhg-l (与Ala25TiO2 —致)，甚至在300次循环之后其容量衰减仅仅只有8.4%。
[0031]样品在电流密度为0.1-2.0Ag^1条件下的速率性能。电流密度为0.1Ag4时，树叶状纳米二氧化钛电极的可逆容量为259.7mAhg^ ;当电流密度变为2.0Ag—1时，对应的可逆容量达到40mAhg'
[0032]用双电极电池系统来评价样品的电化学性能，电池系统采用二氧化钛作为阴极，Al作为阳极。在三电极电解池中，黑色锐钛矿二氧化钛纳米树叶电极表现出优异的电化学性能，且重现率高。
[0033]本发明提供了一种水系铝离子电池阳极材料，该材料由二氧化钛纳米树叶组成，二氧化钛纳米树叶的化学组成为TiOh 976 (NH)atl24，平均长度为50nm，宽度为10nm，比表面积为314.2m2 / g0 二氧化钛纳米树叶含有许多纳米孔，为Al3+的储存提供足够的空间。二氧化钛纳米树叶具有较大的表面积，提供了足够的电极/电解质界面，利于Al3+吸附，同时促进电荷转移反应的进行。二氧化钛纳米树叶中含有具有导电性的Ti3+，增加了电子电导率；TiO2纳米树叶晶型良好，结构稳定。
[0034]本发明还提供了一种水系铝离子电池阳极材料的制备方法，该方法的步骤包括:在诱导剂Brij-30的诱导下，用TALH水溶液作为前驱体；通过液相等离子体方法合成黑色锐钛矿型TiO2 ;将制备出的二氧化钛纳米树叶作为水系铝离子电池阳极材料，对其进行电化学性能测试。在步骤二中的液相等离子体方法的具体实现过程是，将诱导剂Brij-30和TALH水溶液混匀后的溶液转移到等离子体装置中，进行等离子处理一定时间；反应后将样品分离出来，分别用双蒸水和无水乙醇洗涤。在步骤三中进行的电化学性能测试可以是二氧化钛纳米树叶电极的充/放电曲线和循环伏安曲线。
[0035]本发明提供的一种性能较好的水系铝离子阳极材料，该材料要具备制备简单、充放电性能好和循环伏安稳定等优点。制备的二氧化钛纳米树叶化学组成为TiO1.976 (NH) α _，平均长度为50nm，宽度为10nm，比表面积为314.2m2 / g。这种二氧化钛纳米树叶还是一种很优的铝离子阳极材料，表现出很高的储能性能。作为铝离子电池的阳极材料，在
1.0MAl (NO3)3水溶液中，二氧化钛纳米树叶显示超优的性能，出色的倍率能力，稳定的循环特性。当电流密度高达 2.0Ag-1时，仍然能够观察到141.3mAhg^的容量。我们的研究结果表明:目前制备的二氧化钛纳米树叶是一种很优的铝离子阳极材料，表现出很高的储能性能，同时给我们提供一个新的比商用锂离子电池更具竞争优势的、低成本铝离子电池系统。此外，这种黑色锐钛矿型TiO2极有可能在吸附剂，催化剂和传感器等方面得到广泛应用。
[0036]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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种水系铝离子电池阳极材料，其特征在于，该材料由二氧化钛纳米树叶组成，二氧化钛纳米树叶的化学组成为TiOh 976 (NH)atl24，平均长度为50nm，宽度为10nm，比表面积为314.2m2 / go
2.如权利要求1所述的水系铝离子电池阳极材料，其特征在于，二氧化钛纳米树叶含有许多纳米孔，为Al3+的储存提供足够的空间。
3.如权利要求1所述的水系铝离子电池阳极材料，其特征在于，二氧化钛纳米树叶具有较大的表面积，提供了足够的电极/电解质界面，利于Al3+吸附，同时促进电荷转移反应的进行。
4.如权利要求1所述的水系铝离子电池阳极材料，其特征在于，二氧化钛纳米树叶中含有具有导电性的Ti3+，增加了电子电导率；TiO2纳米树叶晶型良好，结构稳定。
5.一种水系铝离子电池阳极材料的制备方法，其特征在于，该方法的步骤包括: 步骤一、在诱导剂Brij-30的诱导下，用TALH水溶液作为前驱体； 步骤二、通过液相等离子体方法合成黑色锐钛矿型TiO2 ； 步骤三、将制备出的二氧化钛纳米树叶作为水系铝离子电池阳极材料，对其进行电化学性能测试。
6.如权利要求5所述的水系铝离子电池阳极材料的制备方法，其特征在于，在步骤二中的液相等离子体方法的具体实现过程是，将诱导剂Brij-30和TALH水溶液混匀后的溶液转移到等离子体装置中，进行等离子处理一定时间；反应后将样品分离出来，分别用双蒸水和无水乙醇洗涤。
7.如权利要求5所述的水系铝离子电池阳极材料的制备方法，其特征在于，在步骤三中进行的电化学性能测试可以是二氧化钛纳米树叶电极的充/放电曲线和循环伏安曲线。
【文档编号】H01M4/48GK103915611SQ201410136400
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月8日 优先权日:2014年4月8日
【发明者】童东革, 贺莹娟, 彭俊芳, 储伟, 李元智 申请人:童东革