[发明专利]一种石墨烯包覆掺氟钛酸锂纳米线的制备方法及其应用

说明书

本发明提供一种石墨烯包覆掺氟钛酸锂纳米线的制备方法及其应用，属于锂离子电池能源材料生产技术领域。本发明以成本低廉的工业级TiO₂为原料，以水热法为基础，通过两步转换，将廉价的工业级TiO₂转化为了具有特殊形貌的钛酸锂纳米线，大幅的降低了钛酸锂纳米线的形成成本，有利于工业化生产应用。同时本发明通过液相氟掺杂和石墨烯原位包覆钛酸锂纳米线，从形貌，离子掺杂以及石墨烯包覆三方面协同作用提高钛酸锂材料的导电率。所得石墨烯原位包覆掺氟钛酸锂纳米线具有接近理论值的充放电比容量,并且显著提高了材料的倍率性能。

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种石墨烯包覆掺氟钛酸锂纳米线的制备方法及其应用。

背景技术

随着全球能源危机和环境问题的加剧，特别是化石燃料的燃烧，汽车尾气的排放等对环境造成了很大的危害，因此开发清洁高效能源具有重要意义。超级电容器和锂离子电池在这样的背景下应运而生，广泛应用于电子，交通，储能等各个领域。

钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)作为新型储能电池的电极材料日益受到重视，这是由于尖晶石型钛酸锂在锂离子嵌入脱出时晶格常数变化很小，称为“零应变材料”，因而具有优异的循环稳定性。钛酸锂材料理论容量175mAh/g，拥有平稳的充放电平台、高温稳定性以及较高的嵌锂电位1.55V(相对于锂金属)，避免了固体电介质界面(SEI)膜和锂枝晶的产生。但是，钛酸锂作为一种绝缘材料，其电子导电率比较低 (10^-13s/cm)，极大地限制了其高倍率性能的发挥，这也是限制钛酸锂大规模商业化的主要原因，如何提高钛酸锂的电导率是目前需要重点解决的问题。

将材料进行纳米化或者在材料表面包覆碳材料，石墨烯，碳纳米管都是提高材料电导率的有效方法，另外对材料进行离子掺杂，产生混合价态，也能有效提高材料导电性。

通过氟掺杂钛酸锂，石墨烯包覆钛酸锂的研究已有报道，但是多为固相法直接将氟化锂与钛源，锂源直接混合在烧结处理得到，如专利号CN103346308A所报道的方法，但是直接固相法进行氟掺杂会由于混合不均匀造成氟掺杂不均以及掺杂量难以确定一系列等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种成本低廉、掺杂均匀、工艺简单可控的石墨烯原位包覆掺氟钛酸锂纳米线的制备方法及其应用。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明一种的石墨烯包覆掺氟钛酸锂纳米线制备方法，包括如下步骤：

1)将TiO₂、氧化石墨烯(GO)加入NaOH溶液中，混合均匀获得溶液A，对溶液A进行水热反应获得GO复合钛酸钠纳米线；

2)将GO复合的钛酸钠纳米线加入酸溶液中混合陈化，形成GO 复合钛酸纳米线；

3)将GO复合钛酸纳米线、氟源加入LiOH，溶液中混合均匀获得溶液B，对溶液B进行离子交换水热反应获得离子交换产物；

4)将离子交换产物在保护气氛下烧结即得石墨烯包覆掺氟钛酸锂纳米线。

本发明进一步提供如下优选方案。

优选的方案，步骤1)中，所述TiO₂为工业级TiO₂。

优选的方案，步骤1)中，所述NaOH溶液的浓度为10～15mol/L。作为进一步的优选，所述NaOH溶液的浓度为10～12.5mol/L。

优选的方案，步骤1)中，所述TiO₂在溶液A中的质量分数为 0.45～1.8wt％。作为进一步的优选，所述TiO₂在溶液A中的质量分数为0.64～1.1wt％。