[发明专利]制备过渡金属氧化物和碳纳米管复合材料的方法及其复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及制备过渡金属氧化物和碳纳米管(CNT)的复合物(complex)的方法以及由此制备的复合物，并且更具体地，涉及可被用作锂二次电池的电极材料的过渡金属氧化物和CNT的复合物及其制备方法。 

背景技术

近年来，由于便携式电子设备例如移动电话，便携式电脑以及摄像机的发展，对紧凑型二次电池例如镍氢二次电池和锂二次电池的需求在增加。尤其是，使用锂和非水性溶剂电解质的锂二次电池很有机会作为紧凑型、轻重量并且高能量密度的电池而被应用，并且因此对这一技术的研究正积极进行着。 

通常，锂二次电池使用过渡金属氧化物例如LiCoO₂、LiNiO₂或LiMn₂O₄作为阴极材料，锂金属或者碳作为阳极材料以及含有锂原子的有机溶剂作为两个电极之间的电解质来装配。然而，使用锂金属作为阳极的锂二次电池容易在反复充电和放电时在树脂上生成晶体并且因此具有高的短路危险。因此，实际上所使用的是使用碳化(carbonated)或石墨化的碳材料作为阳极材料而含有锂离子的非水性溶剂作为电解质的锂二次电池 

然而由于碳基阳极材料具有高不可逆的容量，初始充电/放电效率和容量被降低。因此，近年来，对过渡金属氧化物作为锂二次电池的阳极材料的研究已经积极进行。然而，当用过渡金属氧化物制造电极时，碳颗粒例如用作传导材料的碳黑由于颗粒自身的尺寸而难以均匀混合并且必须大量加入以增强导电性。因此，以电极材料的总重量为基础的电极活性材料的比重下降而并未参与电化学反应的传导材料的量增加，这起到降低电容的作用。 

在过渡金属氧化物和CNT的复合物中，由于CNT具有准一维的量子结构，观察到了低维数上的多种特殊量子现象，CNT具有良好的动力学硬度，化学稳定性和热导率以及独特的特性，其中CNT取决于其结构而具有导体或半导体的特性。当过渡金属氧化物与CNT连接时，可提高CNT的良好的材料学特性并 且过渡金属氧化物可起到传导通路的作用。此时，CNT上的过渡金属氧化物的纳米化和分布控制对于增加氧化物的比表面积来说是必需的。 

然而，制备过渡金属氧化物和CNT的复合物的常规方法必须包括在涂覆过渡金属氧化物之前用酸处理CNT表面的步骤。这是因为由于没有经历酸处理的CNT粉末的颗粒表面是疏水性的，CNT粉末难以分散在溶剂中。然而，酸处理就实际应用来说是暂时/经济限制的原因并且还引起对出于生长状态的CNT的结构的损害。 

同时，近年来，作为锂离子电池的阳极材料，具有尖晶石结构的Li₄Ti₅O₁₂已经引起了注意，因为该材料在充电/放电期间容量上的变化较少并且由此具有多种优势，例如具有很长一段时间的稳定的寿命(使用周期)，防止电极表面上的电解质的下降等。然而，具有尖晶石结构的常规Li₄Ti₅O₁₂由于制备上的限制而难以纳米化并且当用作锂电池的阳极材料时具有不好的容量和充(放)电率(rate)性能。此外，由于合成该材料耗时长(例如24小时)，对于预先确定被实际用于锂二次电池而言，该材料有许多问题。因此，需要解决这些问题的方法。 

发明内容

本发明涉及提供制备过渡金属氧化物和CNT的复合物的方法以及由此制备的复合物，其中用作锂二次电池的电极的材料的所述过渡金属氧化物能够以纳米颗粒的尺寸在CNT的表面上均匀地形成。 

本发明还涉及提供制备过渡金属氧化物和CNT的复合物的方法以及由此制备的复合物，其中过渡金属氧化物可以纳米颗粒的尺寸在CNT复合物的表面上均匀地形成而无需CNT表面的酸处理。 

本发明还涉及提供制备过渡金属氧化物和CNT的复合物的方法以及由此制备的复合物，其中过渡金属氧化物可以纳米颗粒的尺寸在CNT复合物的表面上短时间地均匀形成。 

本发明还涉及提供锂二次电池的阳极材料以及包含具有所述阳极材料的电极的锂二次电池，所述锂二次电池提供高的容量和充(放)电率(rate)性能，因为其以复合物的形式被包含。 

在一个方面，制备过渡金属氧化物和CNT的复合物的方法可包括(a)通过将 CNT粉末分散在溶剂中来制备分散体的步骤，(b)制备分散体与过渡金属盐的混合溶液的步骤，和(c)通过将微波施用于所述混合溶液合成过渡金属氧化物和CNT的复合物的步骤。