[發(fā)明專利]一種高性能三維分級雜化結(jié)構(gòu)鋰離子電池負極材料及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710333702.5
• 申請日: 2017-05-12
• 公開（公告）號: CN107221636A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫克寧;朱曉東;閆杜娟
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01M4/04
• 分類號: H01M4/04;H01M4/36
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于能源材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高性能MWCNTs―TiO₂―高比容量納米粒子三維分級雜化結(jié)構(gòu)鋰離子電池負極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著全球能源緊缺問題日益嚴重，人們對鋰離子電池能量和功率密度的要求越來越高。當(dāng)前商業(yè)化的鋰離子電池負極材料主要為石墨負極，但它的工作電壓低、存在一定的安全隱患，這些問題不可避免的限制了鋰離子電池在電動汽車等大功率設(shè)備的進一步發(fā)展。

近年來，TiO₂作為石墨負極的可替代材料之一，引起了研究人員的廣泛關(guān)注。TiO₂作為鋰離子電池負極，具有一系列突出的優(yōu)點，如成本低廉，來源豐富，對環(huán)境友好等，特別是反復(fù)脫/嵌鋰過程結(jié)構(gòu)變化小，并且脫/嵌鋰電位高、安全性能突出。將TiO₂制備成納米結(jié)構(gòu)的材料有利于縮短Li⁺擴散路徑，其中二維TiO₂納米片因其較大的比表面積，可以提供更多的反應(yīng)活性位點，此外二維納米片具有良好的柔韌性和彈性可以緩解充放電過程中結(jié)構(gòu)變化引起的應(yīng)力。但是，二維TiO₂納米片由于高的表面自由能和大的層間van der Walls引力，在實際應(yīng)用中趨于重新堆疊和聚集，并且存在電導(dǎo)率低和理論比容量(～170mA h g^-1)不足的缺陷。因此單一的二維TiO₂納米片難以直接用作鋰離子電池負極材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種高性能MWCNTs―TiO₂―高比容量納米粒子三維分級雜化結(jié)構(gòu)鋰離子電池負極材料及其制備方法，解決了二維TiO₂納米片易堆疊、比容量低和導(dǎo)電性差的缺陷，發(fā)揮出優(yōu)異的電化學(xué)綜合性能。

一種高性能三維分級雜化結(jié)構(gòu)鋰離子電池負極材料的制備方法，其特征在于：

包括以下步驟：

將MWCNTs超聲分散到異丙醇中，向異丙醇中加入二乙烯三胺和四異丙醇鈦混合均勻，在180～220℃下水熱12～24小時，清洗干燥后熱處理2～6小時獲得MWCNTs―TiO₂，所述MWCNTs―TiO₂中的MWCNTs表面垂直生長TiO₂納米片陣列；將所述MWCNTs―TiO₂超聲分散至四氫呋喃溶劑中獲得MWCNTs―TiO₂溶液；所述MWCNTs經(jīng)酸處理；

將具有單分散性的Si、Mn₃O₄或者MoS₂納米粒子中任意一種、兩種或者三種超聲分散至四氫呋喃溶劑中獲得納米粒子溶液；

將所述MWCNTs―TiO₂溶液和所述納米粒子溶液混合，在100～300W功率下連續(xù)超聲處理10～20小時，所述納米粒子均勻分布在所述TiO₂納米片表面，所述MWCNTs―TiO_2-和所述納米粒子自組裝后經(jīng)過濾和干燥獲得復(fù)合物。

所述的一種高性能三維分級雜化結(jié)構(gòu)鋰離子電池負極材料的制備方法，所述納米粒子和所述MWCNTs―TiO₂的質(zhì)量比為2:8、3:7、4:6或者5:5中的任意一種。

所述的一種高性能三維分級雜化結(jié)構(gòu)鋰離子電池負極材料的制備方法，所述MWCNTs與所述TiO₂的質(zhì)量比為2:7、2:6、2:5或3:7中的任意一種。

所述的一種高性能三維分級雜化結(jié)構(gòu)鋰離子電池負極材料的制備方法，所述熱處理的升溫速率為1℃/min。

所述的一種高性能三維分級雜化結(jié)構(gòu)鋰離子電池負極材料的制備方法，所述熱處理的溫度為在350～450℃，時間為2～6h。

所述的一種高性能三維分級雜化結(jié)構(gòu)鋰離子電池負極材料的制備方法，所述干燥的條件為：40℃真空干燥8～12h。

所述的一種高性能三維分級雜化結(jié)構(gòu)鋰離子電池負極材料的制備方法，所述復(fù)合物為三維微米管狀結(jié)構(gòu)，所述管狀結(jié)構(gòu)外管徑為150～400納米，壁厚為20～170納米，長度為5～20微米。

所述的一種高性能三維分級雜化結(jié)構(gòu)鋰離子電池負極材料的制備方法，所述復(fù)合物中所述TiO₂納米片厚度為6～20nm，高度為100～300nm，寬度為150～500nm；所述復(fù)合物中所述納米顆粒的粒徑為4～20nm。