[發明專利]一種鎳基三維有序二氧化鈦/石墨烯復合材料的制備方法及其在鋰離子電池中的應用

在審

• 申請號: 202110055736.9
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN114373938A
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 李釗;肖美霞;安敏榮;鄭嘉璐;高歡歡
• 申請（專利權）人: 西安石油大學
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/36;H01M4/485;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;C01B32/182;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 北京中珒知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11806
• 代理人: 張碩;趙婷

本發明提供一種鎳基三維有序二氧化鈦/石墨烯復合材料的制備方法，其具體步驟如下：經由三維納米微球自組裝方式制備三維有序聚苯乙烯微球密堆積結構；制備鎳基三維有序介孔結構；以及制備鎳基有序介孔二氧化鈦/石墨烯復合材料。由該制備方法制得的鎳基三維有序二氧化鈦/石墨烯復合材料具有良好的導電性，相互連接的鎳基三維有序介孔結構，具有高比表面積，良好的導電性和穩定性，有利于增大單位面積的電荷儲存密度，提高鋰離子電池的比容量、倍率特性和能量密度。同時，由于二氧化鈦和還原氧化石墨烯具有協同的電化學性能，極大地的提升了其復合電極的電化學性能。

技術領域

本發明涉及復合材料與精細化工技術領域，涉及一種三維介孔二氧化鈦/石墨烯復合材料的制備方法。

背景技術

隨著電子信息技術的高速發展和各種電子產品的普及，從電動汽車到便攜式電子產品，對具有高能量密度、長循環壽命、安全且低成本鋰離子電池的需求日益迫切。研究表明，提高電池的能量密度和循環壽命的有效方法，就是提高電極中的離子的遷移效率和電子傳輸效率，并使電極上活性材料的負載率最大化。因此，開發具有良好的離子遷移效率、電子傳輸效率和高負載量的電極材料，就成為了鋰離子電池的研究重點。

眾所周知，介觀結構的電極可以提供有效的離子和電子傳輸長度，但是，仍然很難同時滿足高體積分數活性材料的負載和短而有效的離子和電子通道。而具有有互相連接的離子和電子傳導網絡的介觀結構的電極，可以提供有效的離子和電子傳輸路徑，如泡沫鎳結構、不銹鋼網、聚合物支架、炭支架等。這些結構通常具有低的活性材料負載，并且在某些特殊情況下限制了長距離離子擴散的路徑。因此，三維反向蛋白石結構的金屬基骨架，是具有適當尺寸、周期性孔、高比表面積和良好連通空間的鋰離子電池支撐材料。這種特定的結構可以促進電極材料浸潤，并使離子和電子在相鄰的孔壁之間高速擴散，從而進一步提高電導率。

二氧化鈦(銳鈦型)是一種典型的鋰離子電池電極材料，由于其低工作、低成本、廣泛的可用性、機械穩定性、良好的循環穩定性等優勢，被廣泛用于鋰離子電池(LIB)、太陽能電池、傳感器等領域。然而，TiO₂作為LIB電極的挑戰，主要體現在不良的電導率和循環過程中的體積變化等。石墨烯是一種具有蜂窩結構的二維材料，具有優異的機械性能、導電性、導熱性、電化學性能等，被廣泛用于柔性電子、傳感器、智能可穿戴設備以及儲能器件等領域。

為解決此問題，研究人員引入了介孔結構鋰離子電池負極，該負極由三維鎳基介孔結構骨架組成，該骨架上沉積了電化學活性的銳鈦礦型TiO₂和氧化石墨烯(RGO)。包括ALD和噴涂的組合在內的制造方法導致高的可用活性物質負載，這超出了大多數其他3D結構化電極的負荷。這種高負載導致高體積容量，這是通過 3D電導率Ni支架和RGO的組合實現的，RGO既導電又有助于電極的容量。3D 納米結構電極在0.5C下經過200次恒電流充放電循環后呈現出幾乎完整的形態，表明其結構穩定性。這里的方法演示了3D支架電極如何以較低的電導率和有限的結構穩定性釋放活性材料的最大鋰存儲能力。

到目前為止，未見文獻報道：原子層沉積制備的二氧化鈦與石墨烯的有序復合或者在三維反蛋白石的介孔結構上負載二氧化鈦和石墨烯。

發明內容

本發明旨在提出一種三維介孔二氧化鈦/石墨烯復合材料的制備方法。

為了達到上述目的，本發明提供了一種鎳基三維有序二氧化鈦/石墨烯復合材料的制備方法，具體步驟如下：

(1)經由三維納米微球自組裝方式制備三維有序聚苯乙烯微球密堆積結構；

(2)制備鎳基三維有序介孔結構；以及

(3)制備鎳基有序介孔二氧化鈦/石墨烯復合材料。

進一步地，步驟(1)具體包括如下步驟：(11)對金屬鎢片基體進行表面預處理；以及(12)將經步驟(11)處理完成的金屬鎢片置于聚苯乙烯微球分散液中，聚苯乙烯微球在鎢片表面進行自組裝，以制得三維有序排列的密堆積結構。