[发明专利]石墨烯复合过渡金属氧化物纳米纤维锂离子电池电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯复合过渡金属氧化物纳米纤维锂离子电池电极材料及其制备方法，尤其是一种可有效抑制和缓冲嵌/脱锂离子过程中过渡金属氧化物材料的体积效应，减少不可逆容量损失，从而获得高容量和循环性能稳定的锂离子电池电极，属于新型化学电源及其制备技术领域。

背景技术

锂离子电池因其具有高电压、高容量、大功率、放电平稳等优点受到广泛关注。最近十年，随着集成电路（IC）和微机电系统（MEMS）产业的不断发展，对与之匹配的新型嵌入式电池提出了更高的要求。因此，全世界正掀起一股研究开发锂离子电池的热潮。为进一步降低电池成本，提高电池的性能，锂离子电池材料的研究显得十分关键。

对于所有的固态微型电池而言，过渡金属氧化物材料由于具有高的比能量、安全性以及适于微型化等优点成为微型锂电池领域的研究重点。但由于过渡金属氧化物的电极首次容量损失都较大(>30％)，且循环容量衰减快，从而限制了此类材料的实际应用。

石墨烯材料比石墨碳有更杰出的电导性，高的比表面积（2600m²/g），化学耐受性以及宽的电化学窗口，因此在锂离子电池中有更好的应用。最近，利用石墨烯的优异特性提高过渡金属氧化物电化学性能的报道已见诸于文献 [ S.M. Paek, E.J. Yoo, I. Honma, Enhanced Cyclic Performance and Lithium Storage Capacity of SnO₂/ Graphene Nanoporous Electrodes with Three-Dimensionally Delaminated Flexible Structure. Nano Lett., 2009, 9 (1), 72.]；[Z. S. Wu, W.C. Ren, L. Wen, L.B. Gao, J.P. Zhao, Z.P. Chen, G.M. Zhou, F. Li, H.M. Cheng, Graphene Anchored with Co₃O₄ Nanoparticles as Anode of Lithium Ion Batteries with Enhanced Reversible Capacity and Cyclic Performance, ACS Nano, 2010, 6(4), 3187. ]。尽管石墨烯的掺杂可提高过渡金属氧化物的导电性能，减小锂离子嵌入过渡金属氧化物时的体积膨胀，在一定程度上提高了循环稳定性能。但由于目前制备技术的限制，过渡金属氧化物多为纳米颗粒，导致与石墨烯的结合不牢固，在充放电过程中容易脱落，从而造成了过渡金属氧化物的团聚，致使石墨烯过渡金属氧化物复合电极材料高倍率下的长期循环稳定性能仍然很差。因此，研制新颖形貌的石墨烯复合过渡金属氧化物材料来抑制和缓冲过渡金属氧化物体积的变化，减少不可逆容量损失，是提高锂离子电池电极容量和循环性能必须解决的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有技术所存在的上述问题，提供一种可有效抑制和缓冲嵌/脱锂离子过程中过渡金属氧化物材料的体积效应，减少不可逆容量损失，从而进一步提高锂离子电池容量和循环性能稳定性的石墨烯复合过渡金属氧化物纳米纤维锂离子电池电极材料及其制备方法。

本发明的石墨烯复合过渡金属氧化物纳米纤维锂离子电池电极材料，其微观形貌为纳米纤维状，电极材料由纳米石墨烯和纳米过渡金属氧化物组成。

所述的纳米石墨烯和纳米过渡金属氧化物的质量配比为：纳米石墨烯∶纳米过渡金属氧化物 = 0.01-1∶10。

所述的纳米石墨烯呈片状颗粒，径向上最大尺寸为0.1-2μm，厚度为3-25nm。

所述的纳米纤维状的电极材料的纤维直径为10-1000nm。

所述的纳米过渡金属氧化物为TiO₂或CoO或Co₃O₄或SnO₂、或SnO或MnO或 MnO₂或其中任意两种的混合，所述的两种的混合是其中一种与另一种的质量配比为：0.1-1∶1。

本发明的石墨烯复合过渡金属氧化物纳米纤维锂离子电池电极材料的制备方法，步骤如下：