[發明專利]一種石墨烯與氮摻雜碳共包覆多孔鈦酸鋰及其制備方法

在審

• 申請號: 201710880927.2
• 申請日: 2017-09-26
• 公開（公告）號: CN107732175A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 馮金奎;安永靈
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/485;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 王志坤

技術領域

本發明屬于鋰離子電池技術領域，具體涉及一種石墨烯與氮摻雜碳共包覆多孔鈦酸鋰及其制備方法。

背景技術

隨著經濟的發展，傳統的化石能源資源有限，污染環境，能源危機和環境污染問題日益突出。故而，開發新型清潔能源尤為重要，如風能、核能、太陽能、生物能、地熱能等。對于這些新能源的開發和利用需要建立完善統一的理論體系，其中儲能顯得尤為重要。

鋰離子電池具有能量密度大、輸出功率高、充放電壽命長、無污染、工作溫度范圍寬及自放電小等諸多優點。通常而言，石墨是常見的鋰離子電池負極材料，但是由于鈦酸鋰的電化學性能優異及其低成本、無毒性和零應變性，所以它是一種有前途的負極材料。

由于商業化的鈦酸鋰顆粒較大，因此與電解液的接觸面積小、鋰離子的擴散距離大，而多孔材料可以增加材料與電解液的接觸面積并且縮短鋰離子的擴散距離，可以大大提高鈦酸鋰的倍率性能；然而，普通的鈦酸鋰的導電性差，因此常用表面包覆碳的方法來提高其導電性，但這種方法存在包覆層不均勻、復合改性工序復雜等問題。

近年，氮摻雜碳共包覆制備復合材料的方法逐漸引起了研究者的重視，因為氮元素摻雜碳材料，改變了部分碳原子的雜化軌道，從而提高了其導電率，而石墨烯是由單層碳原子構成的具有二維結構的碳材料，其突出特點是具有優異的電子導電性。同時，石墨烯還具有較高的機械性能和大的比表面積，這些優良特性也使其被用作多種材料的表面包覆材料；因此，有必要通過氮摻雜碳共包覆的方法提供一種導電性能、倍率性能更佳的多孔鈦酸鋰，這對改善鋰離子電池的性能具有重要意義。

發明內容

針對上述現有技術中存在的問題，本發明目的之一是提供一種石墨烯與氮摻雜碳共包覆多孔鈦酸鋰及其制備方法，通過該方法制備的多孔鈦酸鋰為均勻分散的納米級，粒度和孔率分布均勻，結構穩定、電化學性能優異，具有良好的倍率性能及高的導電性，同時，本發明制備方法綠色環保、反應時間短、合成溫度低、易于工業化。

本發明另一目的是提供上述方法制備的多孔鈦酸鋰的應用。

為實現上述發明目的，具體的，本發明公開了下述技術方案：

首先，本發明公開了一種石墨烯與氮摻雜碳共包覆多孔鈦酸鋰制備方法，所述方法具體包括如下步驟：

1)將氧化石墨烯、鈦源和有機配體按照一定的比例混合到溶劑中，攪拌，使上述物質分散均勻，得到前驅體溶液。

2)將步驟1)所述的前驅體溶液加熱反應一定的時間后，得到石墨烯基鈦的金屬有機框架化合物(MOF-Ti)。

3)將步驟2)所述的石墨烯基鈦的金屬有機框架化合物與鋰源按一定比例混合，在惰性氣氛下進行球磨，然后煅燒，即得石墨烯與氮摻雜碳共包覆多孔鈦酸鋰。

步驟1)中，所述鈦源為鈦酸四正丁酯、草酸鈦鉀中的一種或兩種的混合物。

步驟1)中，所述有機配體為2-氨基對苯二甲酸、5-氨基間苯二甲酸、3-氨基苯甲酸、對氨基苯甲酸、鄰氨基苯甲酸、間氨基苯甲酸中的一種或兩種的混合物。

步驟1)中，所述溶劑為DMF、甲醇、乙醇、去離子水中的一種或兩種的混合物。

步驟1)中，所述氧化石墨烯的質量分數為0.1％～50％。

步驟1)中，所述鈦離子的濃度為0.1～2mol/L。

步驟2)中，所述加熱溫度為80～200℃，反應時間為24～96h。

優選的，所述加熱溫度為120～200℃，反應時間為24～48h。

步驟3)中，所述鋰源為碳酸鋰、氯化鋰、硫酸鋰、硝酸鋰、乙酸鋰、氫氧化鋰、氧化鋰、氟化鋰、碳酸二氫鋰、草酸鋰等其中一種或幾種的混合物。

步驟3)中，所述鋰源化合物中鋰元素與所述鈦源化合物中鈦元素的摩爾比為4～5∶5。

步驟3)中，所述球磨的時間為：0.5～30h。

優選的，所述球磨的時間為：6～15h。

步驟3)中，所述煅燒溫度為：300～1000℃。

優選的，所述煅燒溫度為：500～800℃。

步驟3)中，所述煅燒時間為：1～48h。

優選的，所述煅燒時間為：10～30h。

步驟3)中，所述煅燒的升溫速度為1～20℃/min。

優選的，所述煅燒的升溫速度為5～15℃/min。

步驟3)中，所述惰性氣氛為氬氣、氮氣中的一種或其兩種的混合物。

步驟3)中，所述鈦酸鋰的分子式為Li₄Ti₅O₁₂。

其次，所述本發明還提供了上述方法制備的鋰離子電池負極材料鈦酸鋰。