[發(fā)明專利]一種石墨烯/碳包覆鈦酸鋰復合材料及其制備方法

有效

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• 申請日: 2020-01-21
• 公開（公告）號: CN111244438B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發(fā)明（設計）人: 高劍;王鵬博;周玉;王銘;譚鐵寧
• 申請（專利權）人: 四川虹微技術有限公司
• 主分類號: H01M4/485
• 分類號: H01M4/485;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 四川省成都市天策商標專利事務所 51213
• 代理人: 龔海月

本發(fā)明公開了一種石墨烯/碳包覆鈦酸鋰復合材料及其制備方法，將二氧化鈦、三(羥甲基)氨基甲烷配制成分散液，加入鹽酸多巴胺并引發(fā)其聚合，在二氧化鈦表面形成聚多巴胺包覆層；將產物洗滌后重新分散在去離子水中，然后加入氧化石墨烯，利用其與聚多巴胺包覆層之間的靜電作用，形成穩(wěn)定的復合物；將干燥后的復合物與鋰源均勻混合，并在惰性氣氛中進行高溫焙燒，最終得到石墨烯/碳包覆鈦酸鋰復合負極材料。該方法的特點在于構建了連續(xù)的導電網絡，同時實現(xiàn)了鈦酸鋰顆粒的粒徑控制和均勻分布。采用本發(fā)明方法制備的復合負極材料中的鈦酸鋰物相純度高、材料導電性好，因此具有優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

技術領域

本發(fā)明涉及一種石墨烯/碳包覆鈦酸鋰復合材料及其制備方法，更具體地，本發(fā)明涉及一種導電性能更好的石墨烯/碳包覆鈦酸鋰復合材料及其制備方法。

背景技術

隨著化石能源的大量消耗，其產生的能源與環(huán)境問題日益加劇，人類迫切需要實現(xiàn)新型清潔能源的研發(fā)與應用。目前，利用太陽能、核能、風能、水力等清潔且可再生能源發(fā)電的技術已經在世界范圍大規(guī)模投入使用。與此同時，為滿足快速發(fā)展的便攜式電子產品、電動車輛以及各類高精尖軍事設備的供能，人們對移動儲能器件的要求也越來越高，其中鋰離子電池被認為是一種極具潛力的選擇。目前，鋰離子電池因其優(yōu)異的性能，已經被廣泛應用于各類設備的電能供應，但隨著科技的迅速發(fā)展和隨之而來的產品迭代，人們對鋰離子電池的各方面性能都提出了更高的要求，例如循環(huán)壽命、倍率性能和安全性能。鋰離子電池的性能很大程度上取決于電池材料的性質，與石墨、硅等材料相比，鈦酸鋰這種新型負極材料在很多方面都具備明顯優(yōu)勢，例如循環(huán)壽命長、倍率性能好和安全性高等，很適合作為電動車輛以及在嚴苛環(huán)境下使用的特種裝備上的下一代鋰離子動力電池的負極材料。

鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)的晶體結構為尖晶石型，作為離子電池負極的理論比容量為175mAh/g，相比于其他負極材料，其優(yōu)勢在于：①由于晶體結構良好的穩(wěn)定性，在充放電(鋰離子嵌入與脫嵌)過程中其晶格結構幾乎不會改變，是一種“零應變”材料，因此具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性；②具有較高的嵌鋰電位(1.55V vs.Li/Li⁺)，因此能夠避免金屬鋰在負極的析出和由此導致的電池短路，大幅提升安全性能；③鋰離子擴散系數(shù)為2×10^-8cm²/s，比目前大規(guī)模應用的石墨負極材料高一個數(shù)量級，因此能夠實現(xiàn)大電流充放電，提升電池的功率。然而，鈦酸鋰也有明顯缺陷，其本征電子電導率僅為10^-7S/m，屬于典型的絕緣體。這一性質導致電子在其內部的傳輸嚴重受阻，造成充放電過程極化嚴重，導致其大電流充放電性能比較差。另外，采用鈦酸鋰作為負極的鋰離子電池往往會出現(xiàn)脹氣問題，造成安全隱患。為了解決上述問題，人們總結出納米化結構、碳包覆等思路，對鈦酸鋰材料進行性能優(yōu)化。

多巴胺(C₈H₁₁NO₂)是一種小分子有機物，能夠在溶劑體系中發(fā)生聚合形成聚多巴胺(polydopamine，PDA)，進一步在惰性氣氛中經過高溫焙燒后，能夠形成高導電性的碳。在上述體系中加入二氧化鈦納米顆粒，就能夠實現(xiàn)多巴胺在二氧化鈦表面的原位聚合包覆，通過對反應時間和溫度等條件的控制，能夠輕松實現(xiàn)包覆層厚度的調控，產物經過高溫焙燒后即形成碳包覆層。該包覆層不僅能夠提升材料的電子導電性，還能夠在后續(xù)的固相反應中抑制鈦酸鋰的晶粒生長，得到納米級的鈦酸鋰一次顆粒。