[发明专利]一种锂离子电池用钛酸锂/M-石墨烯复合负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，具体涉及锂离子电池用钛酸锂/M-石墨烯复合负极材料及其制备方法，是用石墨烯和金属颗粒双重复合来制备钛酸锂/M-石墨烯复合负极材料。

背景技术

锂离子电池作为新一代二次电池，具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性高、环境友好等优点，被广泛应用在便携式电脑，移动电话，数码相机，潜艇，航空航天领域等电子设备中，而且随着石油、煤等传统能源的枯竭以及环境污染的日益严峻，发展绿色新能源来代替传统能源变得越来越重要，现在各大汽车公司都在争相研制新能源汽车，以储能电池作为主要动力，而锂离子电池因其巨大的优势无疑成为他们首先考虑的目标。

负极材料作为锂离子电池的核心部分，历来是人们研究的重点，如何提高负极材料的电化学性能成为提高锂离子电池性能和实际应用的关键，对新能源汽车的发展以及解决能源危机具有重大的意义。自从锂离子电池诞生以来，研究的有关负极材料主要有以下几种：金属锂、石墨化碳材料、无定形碳材料、氮化物、硅基材料、锡基材料、新型合金、纳米氧化物和其它材料。早期锂电池使用金属锂作为负极，虽然获得了很大的容量，但锂在充放电过程中容易形成枝晶，刺穿隔膜导致电池内部短路，使电池具有巨大的安全隐患。现在市场上普遍使用的锂离子电池以碳材料作为负极，虽然该材料储量大，成本低廉，但是该材料也存在着比容量低，首次充放电效率不高，对电解液选择性低等缺点，同时，在电化学反应过程中，部分溶剂化的锂离子嵌入时会同时带入溶剂分子，造成溶剂共嵌入，使石墨片层逐渐剥离，最后造成电极破坏，循环性能变差，影响电池的寿命。尖晶石型钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂，作为新一代锂离子电池负极材料，结构稳定，在充放电过程中体积变化很小，仅有0.3%，“零应变”使其在循环过程中不易被破坏，因而具有很好地循环性能和安全性能；而且，其工作电压稳定，使用寿命长。但该材料也存在导电率和离子扩散速率低，电池比容量不高，倍率性能不好等缺点。

石墨烯是从石墨材料中剥离出来，由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维材料，是目前发现的最薄最坚硬的、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，具有较大的比表面积和良好的机械性能，是一种理想的钛酸锂改性材料。石墨烯的加入不仅提高了负极材料储锂的能力，还可以形成导电网络提升其导电性，同时有助于缩短锂离子的扩散路径，使负极材料的大倍率充放电性能有较大的改善。但由于石墨烯巨大的比表面积，在还原过程中石墨烯片层之间容易发生一定地聚集堆叠，导致复合材料的比表面积和活性位点下降，影响电化学性能的发挥。而金属纳米微粒的引入，利用金属良好的导电性不仅可以进一步改善钛酸锂材料导电性差的缺点，同时纳米级的金属粒子分布在石墨烯片层间还可以阻止石墨烯片层间的堆积和聚集现象，让更大面积的石墨烯片层暴露出来，从而接纳更多的钛酸锂颗粒，而且金属纳米微粒的引入可以弥补石墨烯片层在垂直方向导电性差的缺点，在石墨烯片层之间构起一座导电传输通道，增大导电性，提高钛酸锂材料的实际应用。

发明内容

本发明旨在提供一种锂离子电池用钛酸锂/M-石墨烯复合负极材料，所要解决的问题是钛酸锂负极材料导电性较差，比容量较低及大倍率充放电性能差等缺点，利用石墨烯和金属颗粒的双重复合来提高材料的电化学性能，同时提供一种工艺过程简单、无污染、耗能低的钛酸锂/M(M=银，铜)-石墨烯复合负极材料的制备方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种锂离子电池用钛酸锂/M-石墨烯复合负极材料，其特征在于：

所述复合负极材料是在钛酸锂表面复合石墨烯和金属纳米微粒得到的，所述复合负极材料的化学式为Li₄Ti₅O₁₂/M-Graphene,简记为LTO/M-G，所述的金属纳米微粒用M表示，所述的M为银纳米微粒、铜纳米微粒中的一种。

复合负极材料的制备方法，其特征在于：所述复合负极材料是由合成的钛酸锂与氧化石墨烯、金属盐或金属碱混合,经还原剂还原制备得到的，具体包括如下步骤：

(1)将氧化石墨加入到溶剂中进行超声分散0.5-2h，使片层分散开，得到氧化石墨烯胶体溶液，超声后得到的氧化石墨烯胶体溶液的浓度为1.8-2.2g/L;