[发明专利]一种Li4Ti5O12/石墨烯复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及锂离子电池和超级电容器用电极材料领域，具体涉及一种Li₄Ti₅O₁₂/石墨烯复合电极材料及其制备方法，特别是一种用于高倍率的锂离子电池和锂离子超级电容器电极材料的合成方法，属于新能源材料领域。

背景技术

超级电容器作为一种新型储能元件，具有体积小、容量大、过电压不击穿、使用寿命长等特点。目前，锂离子动力电池材料的研究重点也朝着高比容量，大倍率，高循环性能和高安全性能的方向发展。在负极方面，广泛应用的电极材料是碳基材料。虽然碳负极已经成功地商业化，但是其存在循环性能差、电池安全性低以及充放电慢等问题，迫使人们寻找可快速充放电的安全可靠的新型负极材料。其中尖晶石型的Li₄Ti₅O₁₂以其优异的电化学性能广受关注。Li₄Ti₅O₁₂ 是零应变材料，有良好的循环性能；脱嵌锂电位为1.55V(vs. Li/Li⁺)，安全性高；具有三维的锂离子传输通道，可实现快速充放电。但是纯相钛酸锂的电子导电性很差，这就限制了其高倍率性能。针对这一缺点，目前已进行了大量的研究，主要途径有：制备纳米粒径的钛酸锂、离子掺杂、引入导电相和表面包覆修饰等。

石墨烯是由单层碳原子构成的具有二维结构的碳材料，是一种极好的电子导体，具有超高的机械强度和完美的柔性结构，并且石墨稀本身就有很高的储锂比容量，这些优良的性能使其广泛用作多种新型复合材料的添加剂。因此，钛酸锂和石墨烯的复合也成为研究的热点，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。例如，李宝华等（公开号：CN102569769A）通过模板法在水热反应釜中原位合成了钛酸锂/石墨烯复合物，但该种方法反应条件苛刻，不利于大规模工业化生成。王海辉等（公开号：CN 101877405A）、周明杰等（公开号：CN 102468485A）和成会明等（公开号： CN102376937A）通过不同的方法制备了钛酸锂粉末，并与石墨烯进行了混合，但是这种后期的复合都难以形成稳定均匀的复合材料。

目前工业上，电极材料制备广泛使用的方法是固相法。但是直接使用固相法原位合成Li₄Ti₅O₁₂/石墨烯电极材料，往往由于Li₄Ti₅O₁₂ 在高温下团聚以及Li₄Ti₅O₁₂ 和石墨烯不易牢固结合等问题，导致无法形成均匀的复合材料。

发明内容

本发明的目的在于解决Li₄Ti₅O₁₂/石墨烯电极材料的原位固相合成中的均匀性问题，提供一种能制备出具有良好均匀性的Li₄Ti₅O₁₂/石墨烯复合电极材料的原位固相合成方法。

本发明提供了一种Li₄Ti₅O₁₂/石墨烯复合电极材料，其由以下几种原料通过原位固相法合成：碳包覆的二氧化钛、石墨烯，以及锂源，其中所述碳包覆的二氧化钛和锂源的混合物中，锂与钛的摩尔比为0.8～0.88：1；所述石墨烯占钛酸锂/石墨烯复合电极材料总重量的1.0%～15%。

作为具体的方案，所述碳包覆的二氧化钛的制备方法如下：将原料纳米TiO₂和碳源溶于乙醇和水的混合液中，乙醇和水的体积比为（4～6）：1，强力搅拌1～2小时，加热至100～150^oC蒸干溶剂，将得到的干燥产物在400～600^oC惰性气氛煅烧2～5小时，得黑色碳包覆的二氧化钛超细粉末。

所述纳米TiO₂是商品粉，粒径分布范围5-40nm。

所述的碳源为蔗糖、葡萄糖、柠檬酸、苯胺等及聚氯乙烯、聚偏氟乙烯等高分子树脂。

所述纳米TiO₂和碳源的质量比为10:1～4；所得碳包覆的二氧化钛中炭的含量为总质量的2%～10%。