[發明專利]霧化干燥同步合成多孔石墨烯包裹的納米電極材料的方法

有效

• 申請號: 201310647603.6
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN103682302A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 袁濤;何雨石;馬紫峰;廖小珍
• 申請（專利權）人: 上海中聚佳華電池科技有限公司;上海交通大學
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/62;C01G23/00;C01B31/04;B82Y30/00
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技術領域

本發明涉及電池電極材料的制備方法，特別是一種霧化干燥同步合成球型的多孔石墨烯包裹納米電極材料的方法。

背景技術

在當前化石能源危機和環境污染日益嚴重的背景下，可再生的清潔能源應運而生，也同時帶動了電化學儲能技術的飛速發展。在電化學儲能設備中，鋰離子電池因具有高能量密度（120～200Wh?kg^-1）、長循環壽命、無記憶效應等優勢，已廣泛應用在便攜式電子設備中，并有望突破材料瓶頸，提高倍率性能和安全性能，應用在電動（或混合動力）汽車、新能源儲能等領域。而最近發展起來的混合電池電容器結合了鋰離子電池的高能量密度和超級電容器的高功率密度的優點，將在電動（或混合動力）汽車的啟動引擎、不間斷電源（UPS）等大功率儲能設備中進行應用。因此電池材料的性能成為電化學儲能器件發展的最關鍵的因素。在電池材料中，尖晶石型Li-Ti-O三元系物化合材料，特別是nLi/nTi=4/5的Li₄Ti₅O₁₂材料，因其獨特的結構和性能，被認為是目前可替代石墨型碳負極材料的優秀候選負極材料之一。Li₄Ti₅O₁₂具有合適的嵌/脫鋰電位（相對于金屬鋰1.5V），不會造成電解液分解形成SEI鈍化膜，也不會由于大電流充放電在表面形成鋰枝晶，這大大提高了儲能設備的安全性能。此外，在鋰的嵌入和脫嵌過程中晶胞體積幾乎沒有變化，因此具有優異的循環性能。但是，傳統的高溫固相反應法得到的微米或亞微米級Li₄Ti₅O₁₂的鋰離子擴散速率（～10^-9cm²s^-1）和電子電導率（～10^-13S?cm^-1）都很低，這阻礙了Li₄Ti₅O₁₂在高功率電化學儲能系統中的應用。

減小Li₄Ti₅O₁₂粒徑為納米尺度，可以提高鋰離子傳導動力學從而提高鋰離子擴算速率，通過金屬摻雜或導電材料（如導電碳材料）包覆等方法可以改善其導電性能。但研究表明一味降低Li₄Ti₅O₁₂的粒徑至納米尺度在實際應用中會出現一系列的問題，例如增加的比表面積會增強與電解液的副反應，嚴重影響循環壽命；此外，納米粒子會降低材料的振實密度，從而降低設備的體積能量密度。

石墨烯是一種新型的二維碳材料，具有優異的導電性、巨大的比表面積和優良的力學性能，作為電極材料的電化學窗口寬，因此在電極材料領域具有巨大的應用潛力。目前將石墨烯與電極材料（如：Li₄Ti₅O₁₂）復合作為鋰離子電池材料已有研究，但由于石墨烯在還原過程中非常容易團聚和堆疊導致性能大大下降，因此大多數研究采用Ti的有機相原料通過加入表面活性劑等介質與氧化石墨烯結合，并利用水熱或溶膠凝膠的方法制備石墨烯與Li₄Ti₅O₁₂的復合材料。這些方法不僅原料成本高，而且通常需要復雜的去溶劑過程。因此，需要尋找一種成本低，制作方法簡單，且適合工業化大規模生產的方法制備石墨烯與電極材料的復合物。

發明內容

本發明要解決的技術問題是克服現有技術中利用石墨烯與電極材料復合制備納米電極材料的方法復雜，成本高的缺點，本發明提供一種通過霧化干燥同步合成多孔石墨烯包裹的納米電極材料的新方法。

本發明的技術方案來實現的：