[发明专利]一种钛酸锂介孔单晶纳米颗粒/还原氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料领域，涉及一种锂离子电池负极材料及其制备方法和应用，具体地，所述锂离子电池负极材料涉及一种具有介孔单晶形貌的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)/还原氧化石墨烯复合材料。

背景技术

锂离子电池因其具有较大的能量密度和较长的循环寿命等优点，使其在便携式电子设备、电动汽车等领域占据着越来越重要的地位。然而随着科技的发展，人们对锂离子电池也提出了更高的要求。电极材料是锂离子电池需要解决的关键问题之一。目前商用锂离子电池负极材料主要是碳材料，但碳材料的工作电位较低(0.2V vs.Li/Li⁺)，在过充电的情况下，碳材料表面易形成锂枝晶从而引发安全问题。寻找更安全、倍率性能和循环性能更好的负极材料，已成为锂离子电池研究的焦点。

近年来，尖晶石Li₄Ti₅O₁₂作为锂离子电池新型负极材料日益受到重视。作为“零应变性”材料，具有优越的循环稳定性；而且它具有较高的嵌锂电位(1.55V vs.Li/Li⁺)而不易引起金属锂析出，安全性好。但纯相Li₄Ti₅O₁₂导电性不佳，导致倍率性能不理想，成为限制其发展的主要瓶颈之一。目前针对Li₄Ti₅O₁₂进行改进的方法主要有结构优化和与碳材料复合等。例如，Yu等人(L.Yu,H.B.Wu and X.W.D.Lou,Advanced Materials,2013,25,2296-2300.)用硅球做模板制备出了介孔Li₄Ti₅O₁₂中空球壳，在20C的充放电倍率下仍保持104mAh g^-1的容量。Shen等人(L.Shen,X.Zhang,E.Uchaker,C.Yuan and G.Cao,Advanced Energy Materials,2012,2,691-698.)将Li₄Ti₅O₁₂负载在有序介孔碳上得到复合材料，在40C的充放电容量可以达到92.6mAh g^-1，与有序介孔碳复合后材料的倍率性能得到明显改善。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种钛酸锂介孔单晶纳米颗粒/还原氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用，设计思路如下：

以水解法制备出TiO₂纳米颗粒/氧化石墨烯复合材料，然后利用水热法还原氧化石墨烯，再将其与锂源进行水热锂化反应，洗净后在氩气气氛下进行热处理，制备得到钛酸锂介孔单晶纳米颗粒/还原氧化石墨烯复合材料。所制备的复合材料中，Li₄Ti₅O₁₂纳米颗粒的介孔单晶结构可以显著增加其电化学活性位，而还原氧化石墨烯的引入不仅有助于提高Li₄Ti₅O₁₂纳米颗粒的导电性，还可以防止在锂化过程中纳米颗粒的团聚，保证了复合材料高的电化学活性和高倍率性能。

本发明的具体技术方案如下：

一种钛酸锂介孔单晶纳米颗粒/还原氧化石墨烯复合材料，所述复合材料具有如下结构：钛酸锂介孔单晶纳米颗粒负载在还原氧化石墨烯上；其中，钛酸锂介孔单晶纳米颗粒的直径为30～60nm，介孔孔径分布为2～8nm，重量百分含量为70～95％。

一种钛酸锂介孔单晶纳米颗粒/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备氧化石墨烯；

(2)将30～100mg步骤(1)得到的氧化石墨烯分散在200～500ml乙醇中，超声分散2～5h，得到分散液，将1～3g钛酸四丁酯与同质量的乙醇混合均匀后滴加到所述分散液中，搅拌20～60min，得到混合溶液；

(3)将1～3g去离子水与同质量的乙醇混合均匀，加入步骤(2)所述的混合溶液，搅拌20～60min，在100℃下回流5～20h，冷却至室温，抽滤，用乙醇多次清洗并收集产物；

(4)将步骤(3)的产物分散在100～200ml去离子水中，在120～200℃水热还原4～20h，离心洗涤冷冻干燥后收集产物；