[发明专利]一种高性能三维分级杂化结构锂离子电池负极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，涉及一种高性能MWCNTs―TiO₂―高比容量纳米粒子三维分级杂化结构锂离子电池负极材料及其制备方法。

背景技术

随着全球能源紧缺问题日益严重，人们对锂离子电池能量和功率密度的要求越来越高。当前商业化的锂离子电池负极材料主要为石墨负极，但它的工作电压低、存在一定的安全隐患，这些问题不可避免的限制了锂离子电池在电动汽车等大功率设备的进一步发展。

近年来，TiO₂作为石墨负极的可替代材料之一，引起了研究人员的广泛关注。TiO₂作为锂离子电池负极，具有一系列突出的优点，如成本低廉，来源丰富，对环境友好等，特别是反复脱/嵌锂过程结构变化小，并且脱/嵌锂电位高、安全性能突出。将TiO₂制备成纳米结构的材料有利于缩短Li⁺扩散路径，其中二维TiO₂纳米片因其较大的比表面积，可以提供更多的反应活性位点，此外二维纳米片具有良好的柔韧性和弹性可以缓解充放电过程中结构变化引起的应力。但是，二维TiO₂纳米片由于高的表面自由能和大的层间van der Walls引力，在实际应用中趋于重新堆叠和聚集，并且存在电导率低和理论比容量(～170mA h g^-1)不足的缺陷。因此单一的二维TiO₂纳米片难以直接用作锂离子电池负极材料。

发明内容

本发明提供了一种高性能MWCNTs―TiO₂―高比容量纳米粒子三维分级杂化结构锂离子电池负极材料及其制备方法，解决了二维TiO₂纳米片易堆叠、比容量低和导电性差的缺陷，发挥出优异的电化学综合性能。

一种高性能三维分级杂化结构锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：

包括以下步骤：

将MWCNTs超声分散到异丙醇中，向异丙醇中加入二乙烯三胺和四异丙醇钛混合均匀，在180～220℃下水热12～24小时，清洗干燥后热处理2～6小时获得MWCNTs―TiO₂，所述MWCNTs―TiO₂中的MWCNTs表面垂直生长TiO₂纳米片阵列；将所述MWCNTs―TiO₂超声分散至四氢呋喃溶剂中获得MWCNTs―TiO₂溶液；所述MWCNTs经酸处理；

将具有单分散性的Si、Mn₃O₄或者MoS₂纳米粒子中任意一种、两种或者三种超声分散至四氢呋喃溶剂中获得纳米粒子溶液；

将所述MWCNTs―TiO₂溶液和所述纳米粒子溶液混合，在100～300W功率下连续超声处理10～20小时，所述纳米粒子均匀分布在所述TiO₂纳米片表面，所述MWCNTs―TiO_2-和所述纳米粒子自组装后经过滤和干燥获得复合物。

所述的一种高性能三维分级杂化结构锂离子电池负极材料的制备方法，所述纳米粒子和所述MWCNTs―TiO₂的质量比为2:8、3:7、4:6或者5:5中的任意一种。

所述的一种高性能三维分级杂化结构锂离子电池负极材料的制备方法，所述MWCNTs与所述TiO₂的质量比为2:7、2:6、2:5或3:7中的任意一种。

所述的一种高性能三维分级杂化结构锂离子电池负极材料的制备方法，所述热处理的升温速率为1℃/min。

所述的一种高性能三维分级杂化结构锂离子电池负极材料的制备方法，所述热处理的温度为在350～450℃，时间为2～6h。

所述的一种高性能三维分级杂化结构锂离子电池负极材料的制备方法，所述干燥的条件为：40℃真空干燥8～12h。

所述的一种高性能三维分级杂化结构锂离子电池负极材料的制备方法，所述复合物为三维微米管状结构，所述管状结构外管径为150～400纳米，壁厚为20～170纳米，长度为5～20微米。

所述的一种高性能三维分级杂化结构锂离子电池负极材料的制备方法，所述复合物中所述TiO₂纳米片厚度为6～20nm，高度为100～300nm，宽度为150～500nm；所述复合物中所述纳米颗粒的粒径为4～20nm。