[發明專利]一種石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料、其制備方法和鋰離子電池

有效

• 申請號: 202010410184.4
• 申請日: 2020-05-15
• 公開（公告）號: CN111477863B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 吳志連;李憶非;李書頂;張旭鋒;王耀國
• 申請（專利權）人: 寧波鋒成納米科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/36
• 代理公司: 北京元周律知識產權代理有限公司 11540
• 代理人: 王聰;張瑩

本申請公開了一種石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料，包括：磷酸鈦鋰；以及包覆在所述磷酸鈦鋰表面上的石墨烯，所述石墨烯中含有多孔結構，所述多孔結構的孔徑介于1～10μm的范圍內。本申請還提供了一種石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料的制備方法和一種鋰離子電池。本申請提供了一種高效、簡單的合成海綿狀石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料的方法，合成的海綿狀石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料可作為負極用于水系鋰離子電池。該合成的負極材料涵蓋各種海綿狀石墨烯/磷酸鈦鋰。該水系電池具有絕對安全、不起火、不爆炸、環境友好、成本可控等優點。

技術領域

本申請涉及一種石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料、其制備方法和鋰離子電池，屬于儲能領域。

背景技術

目前，國內外相繼開發出磷酸鈦鋰負極材料用于水系鋰離子二次電池，但該材料對水系電解液敏感，易發生析氫、析氧等副反應，致使電池使用壽命短。針對上述問題，很多科研團隊采用磷酸鈦鋰的碳包覆策略，可從某種程度上提升磷酸鈦鋰負極材料的穩定性，但是碳膜致密包覆層會抑制電解液中鋰離子與活性電極之間的相互傳輸，這嚴重阻礙了其容量和倍率性能的發揮。因此，研制高容量、長壽命水系鋰離子電池對拓展其商業應用具有重要的意義。

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優異的電學、力學特性，在能源存儲、油田化學、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。然而石墨烯產業化還處于初期階段，一些應用還不足以體現出石墨烯的多種“理想”性能。

常規碳包覆的磷酸鈦鋰負極（如二維石墨烯包覆的磷酸鈦鋰）容量小，限制了其實際儲能應用。因此，有必要提供一種容量較大、穩定性好的水系鋰離子二次電池負極材料。

發明內容

根據本申請的第一方面，提供了一種石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料，在水系電池中，該石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料的比容量達到了91mAh/g，優于其他層狀石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料在水系電池中的性能。

所述石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料包括：磷酸鈦鋰；以及包覆在所述磷酸鈦鋰表面上的石墨烯，所述石墨烯中含有多孔結構，所述多孔結構的孔徑介于1~10μm的范圍內。

可選地，在石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料中，所述石墨烯呈海綿狀。

可選地，所述石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料的粒徑為10~50μm。

根據本申請的第二方面，提供了一種石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料的制備方法，包括：a）獲得模板；b）將含有氧化石墨烯、模板的分散液過濾，得到沉淀物；c）將步驟b）中所述沉淀物與磷酸鈦鋰混合后燒結，得到所述石墨烯/磷酸鈦鋰復合材料。

可選地，步驟a）中所述模板的形成方法包括：將烴類物質與無機酸溶液混勻，超聲處理形成乳濁液。

可選地，所述烴類物質包括1,3,5-三甲苯、甲苯、對二甲苯、正十六烷中的至少一種；所述無機酸溶液選自鹽酸溶液、硫酸溶液、磷酸溶液、硝酸溶液中的至少一種。

可選地，所述無機酸溶液的濃度為1~3 mol/L；所述烴類物質與無機酸溶液的體積比為1:10~50。

優選地，所述無機酸溶液的濃度為2 mol/L。

優選地，所述烴類物質與無機酸溶液的體積比為1:20。

可選地，所述超聲處理的條件為：超聲頻率為30~50kHz；超聲時間為20~40分鐘。

優選地，超聲時間為30分鐘。

可選地，步驟b）包括：將水、氧化石墨烯溶液與所述乳濁液按照體積比1：1~2：2~6混合，靜置后過濾，得到所述沉淀物。

優選地，蒸餾水：氧化石墨烯溶液與乳濁液的體積比為1:1.5：3。