[发明专利]一种基于生物质/碳纳米管复合修饰钛酸锂的新型锂离子电池负极材料及其应用

说明书

本发明公开了一种基于生物质/碳纳米管复合修饰钛酸锂的新型锂离子电池负极材料及其应用。将LiOH·H₂O、碳管和碳化翅果皮的水分散液与钛酸四丁酯的无水乙醇溶液充分搅拌混合，转移至不锈钢反应釜中，于180℃水热处理12‑36h；收集水热处理后的前驱体粉末，用蒸馏水和乙醇交叉洗涤至中性；于80℃真空干燥24h后，置于管式炉中，氩气氛围下，600‑800℃煅烧1‑3h，研磨，得目标产物生物质/碳纳米管复合修饰钛酸锂微纳复合材料。本发明采用生物质衍生碳和多壁碳纳米管复合对钛酸锂进行表面修饰，通过一步水热法简单高效的制备出既具有三维导电网络微纳复合结构又具有优异的电子导电性的锂离子电池负极材料。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别涉及一种新型锂离子电池负极材料生物质/碳纳米管复合修饰钛酸锂微纳复合材料及应用。

背景技术

钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂)是一种具有立方对称性的尖晶石晶体，由于其“无体积变化”的显著特性而成为很有前途的负极材料。在充电和放电期间，单位电池的体积仅变化0.2％。虽然尖晶石型钛酸锂的结构特点决定了其具有良好的安全性和循环稳定性，但是，由于Ti原子中3d电子层缺乏电子，导致Li₄Ti₅O₁₂电导率和锂扩散系数较低，这限制了其在高充放电密度下的电化学性能。为了改善其性能，已经进行了许多研究工作，对其进行表面碳复合是一个提高电子导电率的有效方法。表面碳复合不但能够提高材料的电子导电率，还能减小材料颗粒尺寸，同时减小电极表面与电解质之间的接触，降低极化，从而改善电极材料在大倍率下的性能。目前进行表面碳复合所使用的碳的形式也多种多样(无定形碳、碳纳米管、石墨烯以及高分子材料等)，它们对钛酸锂进行表面修饰，促进相互连接的钛酸锂颗粒之间的电子传输。这种工艺有效地提高了这种碳/钛酸锂复合负极材料的电子导电性，从而在倍率容量、比容量和容量保持率方面提高了电化学性能。

近年来，研究人员已报告并证明生物质碳也可用于锂离子电池。生物质衍生的碳具有多孔结构，比表面积大，来源丰富等特点，并且性能优异，为锂离子电池负极提供了良好的应用前景。V.Selvamani使用鱼鳞作为锂离子电池负极材料的氮掺杂生物质碳。电极具有超大的比表面积，在电流密度为75mAg^-1时显示480mAhg^-1的稳态可逆容量。Xia使用蝴蝶翅膀作为模板来合成具有周期性三维纳米结构的LTO-TiO₂材料，该材料在高速率下表现出优异的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于生物质/碳纳米管复合修饰钛酸锂的新型锂离子电池负极材料。本发明采用生物质衍生碳和多壁碳纳米管复合对钛酸锂进行表面修饰，制备出了既具有三维导电网络微纳复合结构，又具有优异的电子导电性，并可提高电化学性能的锂离子电池负极材料。

本发明提供的技术方案是：一种基于生物质/碳纳米管复合修饰钛酸锂的新型锂离子电池负极材料，制备方法包括如下步骤：将LiOH·H₂O、碳管和碳化翅果皮超声分散在去离子水中，记为溶液A，将钛酸四丁酯分散在无水乙醇溶液中，记为溶液B，将溶液A加入到溶液B中充分搅拌混合，转移至不锈钢反应釜中，于180℃水热处理12-36h；收集水热处理后的前驱体粉末，用蒸馏水和乙醇交叉洗涤至中性；于80℃真空干燥24h后，置于管式炉中，氩气氛围下，600-800℃煅烧1-3h，研磨，得目标产物生物质/碳纳米管复合修饰钛酸锂微纳复合材料。

进一步的，上述的一种基于生物质/碳纳米管复合修饰钛酸锂的新型锂离子电池负极材料，所述碳化翅果皮的制备方法包括如下步骤：将翅果皮洗净烘干，研磨成粉，浸泡于活化剂溶液中，于80℃下磁力搅拌4h；过滤后，于80℃真空干燥12h，置于管式炉中，氩气氛围下，700-900℃煅烧1-3h，所得产物依次用盐酸，蒸馏水离心洗涤至中性，80℃真空干燥12h，研磨，得目标产物碳化翅果皮。