[發明專利]鈦酸鋰-石墨烯復合電極材料的制備方法

無效

• 申請號: 201010156850.2
• 申請日: 2010-04-20
• 公開（公告）號: CN101877405A
• 公開（公告）日: 2010-11-03
• 發明（設計）人: 王海輝;田冰冰;廉培超
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/139
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術領域

本發明涉及鋰離子二次電池關鍵材料領域，具體涉及一種鈦酸鋰-石墨烯復合電極材料的制備方法，特別是一種用于鋰離子電池的大倍率充放電性能的鈦酸鋰電極復合材料及其制備方法，屬于電化學電源領域。

背景技術

目前，鋰離子電池用負極材料的研究重點正朝著高比容量，大倍率，高循環性能和高安全性能的動力型電池材料方向發展。傳統的負極材料是碳負極材料。雖然碳負極已經成功地商業化，但是其存在的電池安全問題特別是大倍率下的安全問題，迫使人們尋找在比碳負極稍正的電位下嵌鋰的安全可靠的新型負極材料。其中低電位過渡金屬氧化物及復合氧化物作為鋰離子電池的負極材料引起了人們的廣泛注意，尤其是零應變材料Li₄Ti₅O₁₂，以其1.5V(vs.Li/Li⁺)電壓、接近1的充放電效率和優越的循環性能廣受關注，是一種很有潛力作為動力型鋰離子電池負極材料的電極材料。

但是鈦酸鋰具有較差的電子導電性，這就限制了其高倍率性能。因此需要通過對其改性來改善其導電性，從而提高鈦酸鋰的大倍率性能，同時要保持其高可逆電化學容量和良好的循環性能。目前能夠改善鈦酸鋰倍率性能的方法主要有：制備納米粒徑的鈦酸鋰，鈦酸鋰本體摻雜和引入導電相。潘中來等(公開號：CN?101431154A)和徐寧等(公開號：CN101378119A)通過不同方法對鈦酸鋰進行碳包覆，雖然對其性能有一定改善，但是對其導電能力提高有限并且對比容量沒有提高。石墨烯中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度，是一種極好的電子導體，并且石墨稀本身就有很高的儲鋰比容量。因此，將鈦酸鋰和石墨烯復合，制備鈦酸鋰-石墨烯復合電極材料將大大提高鈦酸鋰材料的導電能力，并有效提高材料的比容量。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺點，提供一種鈦酸鋰-石墨烯復合電極材料及其制備方法。可以改善鈦酸鋰的導電性，提高其大倍率性能。

為此本發明提供一種鋰離子電池用鈦酸鋰-石墨烯復合電極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)制備納米鈦酸鋰：將鋰源和鈦源分別溶于乙醇，混合兩種溶液并加入乙酸；加熱至40～100℃，恒溫攪拌4～10h；在80～120℃下烘干得到前驅體；分散在去離子水中，噴霧干燥制得粉體；將粉體在700～1000℃煅燒6～18h；冷卻，研磨，即得納米鈦酸鋰粉體；

(2)制備氧化石墨：將天然鱗片石墨和硝酸鈉混合，加入濃硫酸，冰水浴中攪拌10～20分鐘，再緩慢加入高錳酸鉀，冰水浴中反應0.5～1h，20～25℃下連續攪拌24～48h后，加入去離子水和雙氧水反應10～20分鐘，離心分離；分離產物依次用硫酸和雙氧水的混合溶液和去離子水洗滌，再經過離心分離、真空干燥即得氧化石墨；

(3)鈦酸鋰-石墨烯復合電極材料：將制備好的納米鈦酸鋰粉體和氧化石墨混合均勻，在惰性或還原性氣氛中700～1100℃煅燒3～10分鐘，即得到鈦酸鋰-石墨烯復合電極材料。

所述鋰源為氫氧化鋰、醋酸鋰或硝酸鋰中的一種或兩種以上的混合物。

所述鈦源為鈦酸四丁酯或鈦酸四異丙酯。

所述惰性氣氛包括氬氣、氮氣或氦氣；所述還原性氣氛為氮氫混合氣。

所述鋰源和鈦源中Li與Ti的摩爾比為0.8～0.86。

所述硝酸鈉與天然鱗片石墨的質量比為1∶1；濃硫酸的體積與天然石墨鱗片的質量比為50～60ml/g；高錳酸鉀與天然鱗片石墨的質量比為6∶1。

步驟(2)反應時所述雙氧水的濃度為30％wt，雙氧水的體積與天然鱗片石墨的質量比為20～30ml/g；去離子水的體積與天然鱗片石墨的質量比為75～100ml/g。

步驟(2)洗滌時所述硫酸和雙氧水的混合溶液中硫酸占6％wt，雙氧水占1％wt。

所述氧化石墨占納米鈦酸鋰粉體和氧化石墨混合物的1.0～19.4wt％；所得鈦酸鋰-石墨烯復合電極材料中石墨烯材料占1.0～18.1wt％。

本發明與現有技術相比，采用了電子導電率極大的石墨烯來包覆鈦酸鋰制備鈦酸鋰-石墨烯復合電極材料，制備工序簡單靈活，所用鈦酸鋰可以是通過任何方法合成而不會影響復合材料性能，可以適用于對現有鈦酸鋰材料的改性生產。制備的鈦酸鋰-石墨烯復合材料大倍率性能良好，并具有較高比容量，可廣泛應用于各種便攜式電子設備和各種電動車所需的鋰離子電池。

附圖說明