[发明专利]具有三维多孔阵列结构的垂直石墨烯/钛铌氧/硫碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了具有三维多孔阵列结构的垂直石墨烯/钛铌氧/硫碳复合材料及其制备方法和应用，该包括：在基体上垂直并交缠生长的石墨烯纳米片；包覆在所述石墨烯纳米片上的TiNb₂O₇，形成VG/TiNb₂O₇纳米片；以及包覆在所述VG/TiNb₂O₇纳米片上的硫掺杂碳层，形成VG/TiNb₂O₇@S‑C三维多孔阵列。本发明反合成了VG/TiNb₂O₇纳米阵列，以此为载体，通过恒电流阳极沉积，制备本发明复合材料。本发明复合材料具有高循环稳定性，高倍率性能和库伦效率等特点，与磷酸铁锂或三元材料匹配时，可显著提高全电池的能量密度/功率密度及循环稳定性。本发明的新型复合材料适合作为锂离子电池负极材料，可应用于各种电子设备以及电动汽车和混合动力汽车等等。

技术领域

本发明涉及锂离子二次电池负极材料的技术领域，具体涉及一种具有三维多孔阵列结构的垂直石墨烯/钛铌氧/硫碳复合材料及其制备方法和作为锂离子电池负极材料的应用。

背景技术

锂离子电池作为目前最重要的电能存储装置被广泛应用到交通运输、信息电子等领域。锂离子电池的快速发展主要取决于正负极材料的革新。而商业化应用最为广泛的负极活性石墨材料易形成枝晶，硅、锡基化物又存在严重的体积膨胀问题，而且，易形成SEI膜(固体电解质界面膜，solid electrolyte interface)，安全性较差。钛酸锂虽不形成SEI膜，但是理论容量较低，铌酸钛化合物(TiNb_xO_2+2.5x)在循环过程中不形成SEI膜，而且理论容量相对较高，引起了极大的关注。在铌酸钛化合物中，应用较为广泛的是TiNb₂O₇和Ti₂Nb₁₀O₂₉，理论容量分别为388和396mAh g^-1。其中，TiNb₂O₇，首先被Goodenough的课题组提出，在其工作电压范围内，没有SEI膜的形成，而且理论容量较高，略高于石墨的理论容量。但是，铌酸钛材料本征电子/离子传导率较低，限制了高倍率电化学性能。因此要想将铌酸钛材料设计成高性能的锂离子电池电极，必须对其改性。

针对以上问题，国内外研究人员通常利用以下一些改性方式来优化其电化学储锂性能：主要有纳米化、金属离子掺杂和表面包覆等三种方式。将电极材料设计合成为纳米管、纳米线、纳米颗粒等纳米结构，减少电子/锂离子传输路径，加快传输速度，从而提高电子/离子传输效率；采用Ru⁴⁺，Cu²⁺，Mo⁶⁺等金属离子进行掺杂，提供更多的空位便于离子传输，从而提高其高倍率电化学性能；采用Ag、CNTs(碳纳米管)、graphene(石墨烯)等高导电性包覆层改善其电极/电解液之间的接触界面，降低界面电化学阻抗，提高电子传导率。但是，上述大部分改性方式基于粉末材料。粉末电极存在粘结剂和添加剂，限制了其电化学性能的进一步改善。薄膜复合材料不需要粘结剂/添加剂，适合作为粉末材料的替代品。因此，寻找一种高比表面积、高电导率的基底材料是非常迫切的，同时也是构建高性能铌酸钛基锂离子电池的首选方案。但是在所述阵列结构中，电极材料TiNb₂O₇将与电解液直接接触，缺少了电子快速传输通道。高效的表面导电包覆层可为其提供通道并进一步提高电化学性能。上述合成的VG/TiNb₂O₇@S-C复合多孔阵列电极具有高倍率性能、循环稳定性和库伦效率有望成为能商业化应用的高功率密度和能量密度的锂离子电池负极材料。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明的目的在于合成高比表面积的VG/TiNb₂O₇@S-C复合多孔阵列电极，通过三维纳米多孔阵列基底和表面包覆碳层进行协同优化，改善本征电子/离子迁移率低的问题。