[发明专利]锂电池用过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于储能材料技术领域，具体涉及一类具有优异的循环性能和高比容量的锂电池用过渡金属氧化物/石墨烯(或氧化石墨烯)纳米复合电极材料及其制备方法。

背景技术

能源是人类社会活动的物质基础，能源的发展以及能源与环境是全世界、全人类共同关心的问题。目前，全球范围内的化学燃料资源的日益短缺，迫使人们寻找新型可替代的清洁能源。同时，随着信息社会的快速发展，对有效的、便携式能量存储和转换系统提出了特殊的需求。这些能量系统成为当前便携式电子消费产品的关键组成部分。并且从对节能和环境保护的立场出发，需要分时段能量存储系统以及来自太阳能和风能的自然清洁能源。这些需求已成为目前研究更先进、高能量密度、可充放电电池系统的驱动力量。因此，研制高性能、低成本、环保型电池已成为电池产业的发展重点。

锂电池具有能量密度高、输出功率大，平均输出电压高、自放电小，无记忆效应，可快速充放电，循环性能优越，且无环境污染，已成为当今便携式电子产品可充电源的首选对象，被认为是最有前途的化学电源。在锂电池中，电极材料占据着最重要的位置，电极材料的性能好坏直接决定了最终锂电池产品的各项性能指标。采用过渡金属氧化物作为锂电池的电极材料，具有优异的电压平台和比容量。然而，传统结构的氧化物材料很难在比容量和电化学循环性能方面有新的突破，且由于过渡金属氧化物材料本身低的电子导电率、低锂离子扩散系数以及主体晶格的结构变化，导致其循环性能并不理想，因而设计和制备具有纳米结构的复合材料成为获得的高性能锂电池电极材料的有效途径。

石墨烯是近年来迅速兴起的一种新材料，作为碳元素的一种新的同素异形体，具有特殊的蜂窝状二维结构，由单层碳原子组成，它不仅具有良好的机械性能，也有独特的电化学性能，具有优异的电子传导性，同时对锂离子也具有良好的传导性能，将其应用于锂电池电极材料中有望实现电子和锂离子的快速传导以及抑制材料结构变化的作用，从而实现锂电池性能的高性能化。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种适用面广、制备方便的锂电池用过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合电极材料，其组装的电池比容量大、循环性能好。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种锂电池用过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合电极材料的制备方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采取的技术方案为：一种锂电池用过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合电极材料，其特征在于该锂电池用过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合电极材料为石墨烯或氧化石墨烯改性的过渡金属氧化物，所述石墨烯或氧化石墨烯与过渡金属氧化物通过物理包裹或化学键合的方式连接，其中石墨烯或氧化石墨烯与过渡金属氧化物的质量比为0.01∶100～50∶100。

作为优选，所述过渡金属氧化物为锰的氧化物，包括不同晶型的二氧化锰、三氧化二锰、四氧化三锰或者嵌锂锰氧化物；钒的氧化物，包括α相、无定形五氧化二钒或者嵌锂钒氧化物；铁的氧化物，包括羟基氧化铁、磁铁矿四氧化三铁或者赤铁矿α-三氧化二铁；铬的氧化物，包括三氧化二铬、二氧化铬、五氧化二铬、十五氧化六铬或者八氧化三铬；钼的氧化物，包括三氧化钼、十一氧化四钼、二十三氧化八钼或者二十六氧化九钼；或者其他一些过渡金属氧化物及其嵌锂氧化物，如氧化铜、氧化镍和氧化钴、锂钴氧化物、锂镍氧化物等。

所述石墨烯为单层或由层数在一至三层之间的二维六方碳材料组成，氧化石墨烯为石墨烯上含有羟基或羧基或环氧基。

所述锂电池用过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合电极材料在锂电池中用作正极活性材料或负极活性材料。根据过渡金属氧化物本身特性与充放电的电压范围不同来区分。

本发明解决上述第二个技术问题所采取的技术方案为：一种锂电池用过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合电极材料的制备方法，其特征在于步骤为：

将石墨烯或氧化石墨烯与制备过渡金属氧化物所需的前躯体按质量比为0.01∶100～50∶100在溶剂中均匀混合，置于高压反应釜中，在60～300℃条件下反应1小时以上，得到化学键合的锂电池用过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合电极材料；或者将石墨烯或氧化石墨烯与过渡金属氧化物按质量比为0.01∶100～50∶100在溶剂中充分混合，经干燥处理得到物理包裹的锂电池用过渡金属氧化物/石墨烯纳米复合电极材料。

所述制备过渡金属氧化物所需的前躯体是指制备过渡金属氧化物所需的金属盐和氧化剂或者还原剂。