[发明专利]一种三维结构TiO2/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种三维结构TiO₂/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法和应用。

背景技术

在现实生活中二氧化钛的应用非常广泛，从我们常见的牙膏到装饰用的涂料，其成分中都含有二氧化钛。目前，人们又拓展了它的用途，使得二氧化钛能应用于包括锂电池、燃料电池、光解水制氢和降解有机物等在内的能源领域和环境领域。二氧化钛应用于锂离子电池负极材料具有诸多的优点：长的循环寿命、低的成本、环境友好等。另外，二氧化钛的工作电压相对于传统的石墨负极材料更高(～1.6 V vs.Li/Li⁺)，使得电化学反应过程中不会产生固态电解质表面膜(SEI)，从而使整个电池体系具有更高的安全性能。

二氧化钛(TiO₂)材料虽然具有相对比较低的理论比容量(335 mAh·g^-1)，但是这种材料在锂离子嵌入之后体积变化非常小(＜4％)，同时材料具有非常好的结构稳定性，保证了材料具有优良的倍率和循环性能。另外，二氧化钛作为绿色环保型材料且具有较低的价格。但是，二氧化钛作为一种半导体材料，具有非常差的电导率，这非常不利于电子的传输从而影响了材料的电化学性能，这一致命缺点使得它作为电极材料的应用受到了限制。

近年来，针对二氧化钛的这个缺点，人们提出了不同的解决方案。例如，在二氧化钛本体材料中引入异质原子(N、Nb、W等)，或高导电性的材料(Au、RuO₂、CNT等)复合。在所有的高导电性添加物中，石墨烯由于具有高的电导率、高的比表面积、优异的结构稳定性等优点而受到人们的广泛关注。在电极中石墨烯起到非常重要的作用，即使是含量非常少的石墨烯，也能大大提高电极的电化学性能。它既能为电子提供一个传输的通道又能抑制活性材料在多次脱嵌锂过程中产生的粉化，从而提高电极的电化学性能。近来制备三维石墨烯已经成为研究热点，三维石墨烯可以将纳米尺度上的石墨烯制备成宏观器件，而石墨烯在微观上优异的电学、化学、光学、力学性能也会在其宏观体上继承。

发明内容

本发明目的是提供一种三维结构TiO₂/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法，首先采用水热合成法，以TiOSO₄、氧化石墨烯为原料，以抗坏血酸为还原剂和粘结剂，以水为溶剂，反应制得三维结构TiO₂/石墨烯水凝胶；再将制得的三维结构TiO₂/石墨烯水凝胶冲洗干净，真空干燥，最终得到目标产物TiO₂/石墨烯气凝胶复合物；有效改善TiO₂电导率差的缺点，促进电子传输从而提高材料的电化学性能。

本发明提供的技术方案为：

一种三维结构TiO₂/石墨烯气凝胶复合物，制备方法如下：

1)在室温条件下，将TiOSO₄置于氧化石墨烯溶液中溶解后，向溶液中加入抗坏血酸，干燥条件下，充分搅拌并混合，得到棕黄色反应溶液；

2)将棕黄色反应溶液转移至反应釜中，进行水热合成反应，得到三维结构TiO₂/石墨烯水凝胶；

3)将三维结构TiO₂/石墨烯水凝胶用去离子水充分冲洗干净，于70-80℃真空干燥6-8h，得到目标产物三维结构TiO₂/石墨烯气凝胶复合物。

所述三维结构TiO₂/石墨烯气凝胶复合物，步骤1)中氧化石墨烯溶液的浓度为2mg/ml。

所述三维结构TiO₂/石墨烯气凝胶复合物，步骤1)中TiOSO₄与氧化石墨烯的质量比为6-7:1。

所述三维结构TiO₂/石墨烯气凝胶复合物，步骤1)中抗坏血酸与氧化石墨烯的质量比为1-2:4。

所述三维结构TiO₂/石墨烯气凝胶复合物，步骤1)中的搅拌并混合为磁力搅拌并混合1h。

所述三维结构TiO₂/石墨烯气凝胶复合物，步骤2)中水热合成反应的条件为：水热温度170-180℃，反应时间12h。

一种所述三维结构TiO₂/石墨烯气凝胶复合物作为电池负极在锂离子电池上的应用。

本发明具有以下有益效果：