有序交替共生晶体结构铌钨氧化物及其制备方法和应用

本发明涉及电化学，具体涉及一种有序交替共生晶体结构铌钨氧化物及其制备方法和应用。

背景技术：

1、新能源市场的蓬勃发展奠定了锂离子电池及其重要的市场地位，为了更好的满足市场需要及推动新储能设备的更新换代，储能效率必须得到进一步提升。然而，作为负极的石墨材料锂离子传输速率较低，在高倍率条件下约0.1v的工作电位易导致电解液分解，形成锂枝晶和不稳定的固态电解质膜，甚至造成短路、起火、热失控等安全问题，极大地限制了石墨负极在快充锂电池领域的应用，为此，快充锂电池是目前研究的热点之一。

2、在现有材料体系不变的情况下，为达到快充标准，优化工艺条件和充电策略可以提升充电效率，改善性能并有效延长电池寿命。但从根本上分析，快速电能储存的本质在与离子和电子在电极内的快速转移，为此，提高离子扩散率和电子传导性是成功实现电池快速充电目标的关键。

3、根据负极材料本征结构特征和物理化学特性，可采用多种优化策略来提高其快速充电能力。例如，构建纳米结构、多孔框架用以缩短离子迁移路径；构建阵列结构用于促进离子与嵌入层的快速接触，引起快速锂嵌入；复合导电添加剂或引入缺陷用以弥补材料本身不良的导电性。然而，尽管如此，采用上述改性策略的大多数电极材料的离子/电子导电性缺乏本质上的改善，仍难以发挥良好的快速储锂能力。

4、研究发现，具有快充潜力的材料的晶体结构均可归属于原始reo3型剪切晶体结构的变形，也就是说，合适的晶体结构是快充的本质原因。同时，与非相变材料相比，相变材料不适用于大电流充电。

5、因此，急需一种简单的制备方法构建能实现锂电池快充的晶体结构，对于下一代新能源技术的发展具有重大意义。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种有序交替共生晶体结构铌钨氧化物及其制备方法，该方法简单高效，制备得到的材料具有有序交替共生晶体结构，且具有快充潜力，电化学性能优异。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种有序交替共生晶体结构铌钨氧化物的制备方法，将铌源和钨源溶于乙醇去离子水混合溶液中，并调节ph值为2～3，加入有机高分子聚合物形成凝胶溶液，然后采用凝胶煅烧法制备得到所述有序交替共生晶体结构铌钨氧化物。

4、进一步，所述凝胶煅烧法的具体步骤为：将所述凝胶溶液干燥得到凝胶，将凝胶进行预烧，得到前驱体，前驱体先750～850℃保温6～8h，再950～1050℃保温12～13h即得到所述有序交替共生晶体结构铌钨氧化物。

5、其中750～850℃的保温条件可以提高原子的扩散系数，促进离子和缺陷的扩散等物质传递工程，950～1050℃保温保证生成所需的晶体结构。

6、进一步，高温煅烧过程中，先以4.5～5.5℃/min的升温速率升至750～850℃，再以1.5～2.5℃/min的升温速率升至950～1050℃。

7、其中1.5～2.5℃/min的升温速率可以提供足够的反应时间，利于晶体结构的生长。

8、进一步，预烧的温度为340～360℃，时间为3h～4h。

9、进一步，所述有机高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或聚丙烯腈中的一种。

10、进一步，所述铌源与钨源的质量比为3：0.3～0.4，每ml乙醇去离子水混合溶液中铌源的添加量为0.06～0.15g，每ml乙醇去离子水混合溶液中有机高分子聚合物的添加量为0.075～0.125g，乙醇与去离子水的质量比为1：0.2～5。

11、进一步，所述铌源为草酸铌、铌酸铵或五氯化铌中的一种，所述钨源为偏钨酸铵或六氯化钨。

12、进一步，使用有机一元酸调节ph值为2～3。

13、进一步，所述有机一元酸为草酸、乙酸或柠檬酸。

14、第二方面，本发明提供了上述方法制备得到的有序交替共生晶体结构铌钨氧化物。

15、第三方面，本发明提供了上述有序交替共生晶体结构铌钨氧化物在制备锂电池负极中的应用。

16、本发明的有益效果是：

17、1)本发明以铌钨为金属源，通过凝胶高温煅烧制备出了独特的有序交替共生晶体结构铌钨氧化物，该结构稳定存在，并伴随着分布有序的内应力，可缓解li+嵌入脱出过程中的体积形变，提高电池使用寿命；该结构具有更宽的li+扩散通道、更低的li+扩散势垒、更强的li-o结合能和更小的能带间隙，构建了离子/电子三维高效传输路径，提高了电化学反应动力学，大幅提升了材料的比容量、循环倍率和长循环寿命等综合电化学性能，展现了在100c电流密度下20000圈的超高倍率长循环性能。

18、2)本发明采用的溶胶煅烧法工艺条件简单、制备条件宽松、可在空气等自然条件下加热完成，避免了惰性气氛、高压、高电流、剧烈燃烧等苛刻条件，且单次合成量远超目前现有技术(如燃烧法、静电纺丝等)，具有极大的经济效益。

技术特征：

1.一种有序交替共生晶体结构铌钨氧化物的制备方法，其特征在于，将铌源和钨源溶于乙醇去离子水混合溶液中，并调节ph值为2～3，加入有机高分子聚合物形成凝胶溶液，然后采用凝胶煅烧法制备得到所述有序交替共生晶体结构铌钨氧化物。

2.根据权利要求1所述的有序交替共生晶体结构铌钨氧化物的制备方法，其特征在于，所述凝胶煅烧法的具体步骤为：将所述凝胶溶液干燥得到凝胶，将凝胶进行预烧，得到前驱体，前驱体先750～850℃保温6～8h，再950～1050℃保温12～13h即得到所述有序交替共生晶体结构铌钨氧化物。

3.根据权利要求2所述的有序交替共生晶体结构铌钨氧化物的制备方法，其特征在于，高温煅烧过程中，先以4.5～5.5℃/min的升温速率升至750～850℃，再以1.5～2.5℃/min的升温速率升至950～1050℃。

4.根据权利要求2所述的有序交替共生晶体结构铌钨氧化物的制备方法，其特征在于，预烧的温度为340～360℃，时间为3h～4h。

5.根据权利要求1-4任一项所述的有序交替共生晶体结构铌钨氧化物的制备方法，其特征在于，所述有机高分子聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇或聚丙烯腈中的一种。

6.根据权利要求1-4任一项所述的有序交替共生晶体结构铌钨氧化物的制备方法，其特征在于，所述铌源与钨源的质量比为3：0.3～0.4，每ml乙醇去离子水混合溶液中铌源的添加量为0.06～0.15g，每ml乙醇去离子水混合溶液中有机高分子聚合物的添加量为0.075～0.125g，乙醇与去离子水的质量比为1：0.2～5。

7.根据权利要求6所述的有序交替共生晶体结构铌钨氧化物的制备方法，其特征在于，使用草酸、乙酸或柠檬酸调节ph值为2～3。

8.根据权利要求6所述的有序交替共生晶体结构铌钨氧化物的制备方法，其特征在于，所述铌源为草酸铌、铌酸铵或五氯化铌中的一种，所述钨源为偏钨酸铵或六氯化钨。

9.一种有序交替共生晶体结构铌钨氧化物，其特征在于，由权利要求1-8任一项所述的方法制备得到。

10.权利要求9所述的有序交替共生晶体结构铌钨氧化物在制备锂电池负极中的应用。

技术总结
本发明提供了一种有序交替共生晶体结构铌钨氧化物的制备方法，将铌源和钨源溶于乙醇去离子水混合溶液中，并调节pH值为2～3，加入有机高分子聚合物形成凝胶溶液，然后采用凝胶煅烧法制备得到所述有序交替共生晶体结构铌钨氧化物。本发明以铌钨为金属源，通过凝胶高温煅烧制备出了独特的有序交替共生晶体结构铌钨氧化物，该结构稳定存，并大幅提升了材料的比容量、循环倍率和长循环寿命等综合电化学性能，展现了在100C电流密度下20000圈的超高倍率长循环性能。

技术研发人员：麦立强,郭长远,王选朋,刘子昂
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16