[发明专利]一种0D/2D异质结构复合负极材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种0D/2D异质结构复合负极材料的制备方法及其应用。二维钛酸锂纳米片通过溶剂热法和热处理制备，零维金属氧化物纳米晶从商业化中购买并通过质子化处理，将两种材料分散于有机溶剂中，随后均匀混合，在静电的相互作用下形成0D/2D异质结构。在该异质结构中，0D的金属氧化物纳米晶作为极性材料具有良好的电解液浸润性、阻止钛酸锂纳米片的自团聚和增加其振实密度、改善钛酸锂充放电过程中的气体产生。此外，异质结界面能激发钛酸锂纳米片的赝电效应和增强锂离子的存储，使得该异质结构材料能够表现出良好的电化学性能和安全特性。本发明同时还具有制备工艺简单、工艺重复性好、成本低和环境友好等优点。

技术领域

本发明涉及负极材料的制备，特别涉及一种0D/2D异质结构复合负极材料的制备方法及其应用。

背景技术

当前锂离子电池已被广泛用于便携式电子器件、动力电源、混合动力汽车等仪器设备。然而，锂离子电池的性能已经接近目前商业化石墨负极所能达到的极限，因此新型负极材料的研究引起了研究者越来越多的关注。大量研究表明钛基化合物应用于锂离子电池负极，展现出有效率的存储和传递能量，并且安全性能极高。特别是尖晶石型钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂(LTO)用作锂离子电池负极时，充/放电电压平台约为1.55V，锂离子嵌入/脱出的过程中应变几乎为零，因此其是一种有前景的高性能锂离子电池负极材料，成为当前研究的热点。

然而，尖晶石LTO材料的电导率差(ca.10^-13S cm^-1)，扩散系数小(ca.10^-9～10^-13cm²s^-1)，导致其高倍率容量低、功率密度不理想；充放电过程中，电池容易胀气，引起安全性问题从而限制了其在混合动力汽车与大规模能量存储设备中的广泛应用。迄今为止，为了改善LTO材料的储锂性能，科研工作者就LTO材料的缺点做了大量的改性研究。当前主要以制备纳米/微米结构的材料、元素掺杂、高导电碳材料表面修饰为重要出发点。但是，上述的方案制备的LTO复合材料制备工艺复杂、造价偏高、振实密度低且能量密度不高。

综上所述，基于钛酸锂材料亟需开发一种合成工艺简单、价格低廉、重复性好，产品振实密度好，能量密度高，倍率性能好，安全性能好的可用作商业锂离子电池负极极的制备方法。

发明内容

针对钛酸锂材料存在上述现有技术问题，本发明提供一种0D/2D异质结构复合负极材料的制备方法及其应用，该合成工艺简单、价格低廉、重复性好，产品振实密度好，能量密度高，倍率性能好，安全性能高，所得材料能够直接用作商业锂离子电池的负极材料。

上述目的是通过如下技术方案实现：

一种0D/2D异质结构复合负极材料，由零维金属氧化物纳米晶修饰二维钛酸锂纳米片构成，其制备方法包括如下步骤：

(1)二维钛酸锂纳米片的制备：将钛酸四丁酯和氢氧化锂进行溶剂热反应得到前驱体，然后对前驱体进行热处理，得到二维钛酸锂纳米片；

(2)将零维金属氧化物纳米晶通过稀酸溶液进行质子化处理；

(3)0D/2D异质结构复合材料制备：将步骤(1)所得二维钛酸锂纳米片与步骤(2)所得零维金属氧化物纳米晶分别均匀分散在有机溶剂中，然后将两种分散液混合、抽滤、真空干燥，得到0D/2D异质结构复合负极材料。

进一步地，步骤(1)中，溶剂热反应的温度为160～180℃，时间为24～36小时。

进一步地，步骤(1)中，热处理的温度为80～100℃，时间为12～24小时。

进一步地，步骤(2)中，所述的稀酸为稀硝酸或稀盐酸；所述的稀酸的质量分数为0.5～5％。