[发明专利]钛酸锂-石墨烯复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池关键材料领域，具体涉及一种钛酸锂-石墨烯复合电极材料的制备方法，特别是一种用于锂离子电池的大倍率充放电性能的钛酸锂电极复合材料及其制备方法，属于电化学电源领域。

背景技术

目前，锂离子电池用负极材料的研究重点正朝着高比容量，大倍率，高循环性能和高安全性能的动力型电池材料方向发展。传统的负极材料是碳负极材料。虽然碳负极已经成功地商业化，但是其存在的电池安全问题特别是大倍率下的安全问题，迫使人们寻找在比碳负极稍正的电位下嵌锂的安全可靠的新型负极材料。其中低电位过渡金属氧化物及复合氧化物作为锂离子电池的负极材料引起了人们的广泛注意，尤其是零应变材料Li₄Ti₅O₁₂，以其1.5V(vs.Li/Li⁺)电压、接近1的充放电效率和优越的循环性能广受关注，是一种很有潜力作为动力型锂离子电池负极材料的电极材料。

但是钛酸锂具有较差的电子导电性，这就限制了其高倍率性能。因此需要通过对其改性来改善其导电性，从而提高钛酸锂的大倍率性能，同时要保持其高可逆电化学容量和良好的循环性能。目前能够改善钛酸锂倍率性能的方法主要有：制备纳米粒径的钛酸锂，钛酸锂本体掺杂和引入导电相。潘中来等(公开号：CN 101431154A)和徐宁等(公开号：CN101378119A)通过不同方法对钛酸锂进行碳包覆，虽然对其性能有一定改善，但是对其导电能力提高有限并且对比容量没有提高。石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，是一种极好的电子导体，并且石墨稀本身就有很高的储锂比容量。因此，将钛酸锂和石墨烯复合，制备钛酸锂-石墨烯复合电极材料将大大提高钛酸锂材料的导电能力，并有效提高材料的比容量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种钛酸锂-石墨烯复合电极材料及其制备方法。可以改善钛酸锂的导电性，提高其大倍率性能。

为此本发明提供一种锂离子电池用钛酸锂-石墨烯复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备纳米钛酸锂：将锂源和钛源分别溶于乙醇，混合两种溶液并加入乙酸；加热至40～100℃，恒温搅拌4～10h；在80～120℃下烘干得到前驱体；分散在去离子水中，喷雾干燥制得粉体；将粉体在700～1000℃煅烧6～18h；冷却，研磨，即得纳米钛酸锂粉体；

(2)制备氧化石墨：将天然鳞片石墨和硝酸钠混合，加入浓硫酸，冰水浴中搅拌10～20分钟，再缓慢加入高锰酸钾，冰水浴中反应0.5～1h，20～25℃下连续搅拌24～48h后，加入去离子水和双氧水反应10～20分钟，离心分离；分离产物依次用硫酸和双氧水的混合溶液和去离子水洗涤，再经过离心分离、真空干燥即得氧化石墨；

(3)钛酸锂-石墨烯复合电极材料：将制备好的纳米钛酸锂粉体和氧化石墨混合均匀，在惰性或还原性气氛中700～1100℃煅烧3～10分钟，即得到钛酸锂-石墨烯复合电极材料。

所述锂源为氢氧化锂、醋酸锂或硝酸锂中的一种或两种以上的混合物。

所述钛源为钛酸四丁酯或钛酸四异丙酯。

所述惰性气氛包括氩气、氮气或氦气；所述还原性气氛为氮氢混合气。

所述锂源和钛源中Li与Ti的摩尔比为0.8～0.86。

所述硝酸钠与天然鳞片石墨的质量比为1∶1；浓硫酸的体积与天然石墨鳞片的质量比为50～60ml/g；高锰酸钾与天然鳞片石墨的质量比为6∶1。

步骤(2)反应时所述双氧水的浓度为30％wt，双氧水的体积与天然鳞片石墨的质量比为20～30ml/g；去离子水的体积与天然鳞片石墨的质量比为75～100ml/g。

步骤(2)洗涤时所述硫酸和双氧水的混合溶液中硫酸占6％wt，双氧水占1％wt。

所述氧化石墨占纳米钛酸锂粉体和氧化石墨混合物的1.0～19.4wt％；所得钛酸锂-石墨烯复合电极材料中石墨烯材料占1.0～18.1wt％。

本发明与现有技术相比，采用了电子导电率极大的石墨烯来包覆钛酸锂制备钛酸锂-石墨烯复合电极材料，制备工序简单灵活，所用钛酸锂可以是通过任何方法合成而不会影响复合材料性能，可以适用于对现有钛酸锂材料的改性生产。制备的钛酸锂-石墨烯复合材料大倍率性能良好，并具有较高比容量，可广泛应用于各种便携式电子设备和各种电动车所需的锂离子电池。

附图说明