[發明專利]一種改性鈦酸鋰復合材料及其制備方法與鋰離子電池

在審

• 申請號: 201810518751.0
• 申請日: 2018-05-25
• 公開（公告）號: CN108511735A
• 公開（公告）日: 2018-09-07
• 發明（設計）人: 田冰冰;李瑛;蘇陳良;俞兆喆
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/485;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所(普通合伙) 44268
• 代理人: 王永文;劉文求

本發明公開一種改性鈦酸鋰復合材料及其制備方法與鋰離子電池。本發明先將鈦酸鋰進行氮化處理，然后將氮化處理過的鈦酸鋰和氧化石墨烯混合均勻，在惰性氣氛或還原性氣氛中700～1100℃下煅燒3～10min，即得到改性鈦酸鋰復合材料。本發明與現有技術相比，采用了電子導電率極大的石墨烯與氮化鈦酸鋰復合制備改性鈦酸鋰復合材料，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，且可以適用于對現有鈦酸鋰材料的改性生產。制備的石墨烯基鈦酸鋰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。

技術領域

本發明涉及可充放鋰離子電池領域，尤其涉及一種改性鈦酸鋰復合材料及其制備方法與鋰離子電池。

背景技術

目前，鋰離子電池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，迫使人們在尋找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。

但是鈦酸鋰的電子導電性較差，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以適應動力電池需求，并且需要保持其高的可逆電化學容量和良好的循環穩定性。目前，能夠提高鈦酸鋰倍率性能的方法主要包括：制備納米粒徑的鈦酸鋰，鈦酸鋰本體摻雜和引入導電相等。現有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，制備石墨烯基鈦酸鋰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

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種改性鈦酸鋰復合材料及其制備方法與鋰離子電池，旨在解決現有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的問題。

本發明的技術方案如下：

一種改性鈦酸鋰復合材料的制備方法，其中，包括以下步驟：

（1）制備納米鈦酸鋰粉體：將鋰源和鈦源分別溶于溶劑中，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；將所述前驅體分散在去離子水中，經噴霧干燥制得粉體；將所述粉體在700～1000℃下煅燒6～18h；再經冷卻，研磨，即得納米鈦酸鋰粉體；

（2）制備氮化鈦酸鋰粉體：將所得納米鈦酸鋰粉體在氮氣氛中加熱到700～1000℃進行氮化處理5～10h，得到氮化鈦酸鋰粉體；

（3）制備氧化石墨烯：將天然鱗片石墨和硝酸鈉混合，加入濃硫酸，冰水浴中攪拌10～20min，再加入高錳酸鉀，冰水浴中反應0.5～1h，20～25℃下攪拌24～48h后，加入去離子水和雙氧水反應10～20min，離心分離；分離產物經洗滌，再經過離心分離、干燥即得氧化石墨烯；

（4）制備改性鈦酸鋰復合材料：將制備好的氮化鈦酸鋰粉體和氧化石墨烯混合均勻，在惰性氣氛或還原性氣氛中700～1100℃下煅燒 3～10min，即得到改性鈦酸鋰復合材料。

所述的制備方法，其中，步驟（1）中，所述鋰源為氫氧化鋰、醋酸鋰和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。