[發明專利]鋰電池用過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合電極材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201010237027.4
• 申請日: 2010-07-23
• 公開（公告）號: CN102339994A
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發明（設計）人: 劉兆平;姚霞銀;王軍;周旭峰;王旭陽;張建剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/131;H01M4/1391
• 代理公司: 寧波誠源專利事務所有限公司 33102
• 代理人: 袁忠衛

技術領域

本發明屬于儲能材料技術領域，具體涉及一類具有優異的循環性能和高比容量的鋰電池用過渡金屬氧化物/石墨烯(或氧化石墨烯)納米復合電極材料及其制備方法。

背景技術

能源是人類社會活動的物質基礎，能源的發展以及能源與環境是全世界、全人類共同關心的問題。目前，全球范圍內的化學燃料資源的日益短缺，迫使人們尋找新型可替代的清潔能源。同時，隨著信息社會的快速發展，對有效的、便攜式能量存儲和轉換系統提出了特殊的需求。這些能量系統成為當前便攜式電子消費產品的關鍵組成部分。并且從對節能和環境保護的立場出發，需要分時段能量存儲系統以及來自太陽能和風能的自然清潔能源。這些需求已成為目前研究更先進、高能量密度、可充放電電池系統的驅動力量。因此，研制高性能、低成本、環保型電池已成為電池產業的發展重點。

鋰電池具有能量密度高、輸出功率大，平均輸出電壓高、自放電小，無記憶效應，可快速充放電，循環性能優越，且無環境污染，已成為當今便攜式電子產品可充電源的首選對象，被認為是最有前途的化學電源。在鋰電池中，電極材料占據著最重要的位置，電極材料的性能好壞直接決定了最終鋰電池產品的各項性能指標。采用過渡金屬氧化物作為鋰電池的電極材料，具有優異的電壓平臺和比容量。然而，傳統結構的氧化物材料很難在比容量和電化學循環性能方面有新的突破，且由于過渡金屬氧化物材料本身低的電子導電率、低鋰離子擴散系數以及主體晶格的結構變化，導致其循環性能并不理想，因而設計和制備具有納米結構的復合材料成為獲得的高性能鋰電池電極材料的有效途徑。

石墨烯是近年來迅速興起的一種新材料，作為碳元素的一種新的同素異形體，具有特殊的蜂窩狀二維結構，由單層碳原子組成，它不僅具有良好的機械性能，也有獨特的電化學性能，具有優異的電子傳導性，同時對鋰離子也具有良好的傳導性能，將其應用于鋰電池電極材料中有望實現電子和鋰離子的快速傳導以及抑制材料結構變化的作用，從而實現鋰電池性能的高性能化。

發明內容

本發明所要解決的第一個技術問題是提供一種適用面廣、制備方便的鋰電池用過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合電極材料，其組裝的電池比容量大、循環性能好。

本發明所要解決的第二個技術問題是提供一種鋰電池用過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合電極材料的制備方法。

本發明解決上述第一個技術問題所采取的技術方案為：一種鋰電池用過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合電極材料，其特征在于該鋰電池用過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合電極材料為石墨烯或氧化石墨烯改性的過渡金屬氧化物，所述石墨烯或氧化石墨烯與過渡金屬氧化物通過物理包裹或化學鍵合的方式連接，其中石墨烯或氧化石墨烯與過渡金屬氧化物的質量比為0.01∶100～50∶100。

作為優選，所述過渡金屬氧化物為錳的氧化物，包括不同晶型的二氧化錳、三氧化二錳、四氧化三錳或者嵌鋰錳氧化物；釩的氧化物，包括α相、無定形五氧化二釩或者嵌鋰釩氧化物；鐵的氧化物，包括羥基氧化鐵、磁鐵礦四氧化三鐵或者赤鐵礦α-三氧化二鐵；鉻的氧化物，包括三氧化二鉻、二氧化鉻、五氧化二鉻、十五氧化六鉻或者八氧化三鉻；鉬的氧化物，包括三氧化鉬、十一氧化四鉬、二十三氧化八鉬或者二十六氧化九鉬；或者其他一些過渡金屬氧化物及其嵌鋰氧化物，如氧化銅、氧化鎳和氧化鈷、鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物等。

所述石墨烯為單層或由層數在一至三層之間的二維六方碳材料組成，氧化石墨烯為石墨烯上含有羥基或羧基或環氧基。

所述鋰電池用過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合電極材料在鋰電池中用作正極活性材料或負極活性材料。根據過渡金屬氧化物本身特性與充放電的電壓范圍不同來區分。

本發明解決上述第二個技術問題所采取的技術方案為：一種鋰電池用過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合電極材料的制備方法，其特征在于步驟為：

將石墨烯或氧化石墨烯與制備過渡金屬氧化物所需的前軀體按質量比為0.01∶100～50∶100在溶劑中均勻混合，置于高壓反應釜中，在60～300℃條件下反應1小時以上，得到化學鍵合的鋰電池用過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合電極材料；或者將石墨烯或氧化石墨烯與過渡金屬氧化物按質量比為0.01∶100～50∶100在溶劑中充分混合，經干燥處理得到物理包裹的鋰電池用過渡金屬氧化物/石墨烯納米復合電極材料。

所述制備過渡金屬氧化物所需的前軀體是指制備過渡金屬氧化物所需的金屬鹽和氧化劑或者還原劑。