[发明专利]一种钛酸锂碳复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂电池用复合材料，尤其涉及一种钛酸锂碳复合材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池作为一种新型的二次电池，具有比容量高、电压高、安全性好的特点，广泛应用于电动汽车、移动电话、笔记本电脑的驱动电源。随着科技的发展，各种采用锂离子电池的数码产品更新升级速度很快，产品大都趋于便携化、经济化，这就要求锂离子电池产品要向高能量密度、低成本方向发展。

目前，锂离子电池所采用的负极材料一般都是嵌锂碳材料，如石墨、软炭、硬炭等。这些碳材料都存在一些问题：（1）但其理论容量(372mAhg^-1)有限，（2）使电解质分解存在安全隐患，（3）首次充放电效率低 。

钛酸锂作为一种新型负极材料，有许多优良特性：在Li⁺嵌入和脱出过程中，材料的晶体结构基本不发生变化，即所谓的“零应变”材料，这种特性使得Li₄Ti₅O₁₂具有良好的结构稳定性和优异的循环性能；Li₄Ti₅O₁₂具有较高的嵌锂电位(1.55V vs.Li/Li⁺)，充放电过程中不会析出金属锂，这一电位高于大多数有机电解液的还原电位，因此安全性能高。

但是，由于钛酸锂是一种绝缘材料，其电导率低，从而导致在锂电中的应用存在倍率性能较差的问题，在高倍率环境下工作时，钛酸锂比容量衰减迅速。但随着科技的发展，单一的尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂的电化学性能特别是其倍率和循环性能还是不够理想。而对于锂离子电池的实际应用，高倍率工作特性是决定其能否获得商业化应用的关键因素之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛酸锂碳复合材料的制备方法，使用该方法制备的负极复合材料的锂离子电池具有比容量大、倍率高、循环性能好等特点。

为了实现上述目的，本发明提供的一种钛酸锂碳复合材料的制备方法包括如下步骤：

步骤1，制备多孔石墨烯材料

在0℃冰浴下，按石墨粉和浓硫酸的质量体积比(1-4)g:(2-3)ml将石墨粉分散到浓硫酸中，搅拌下加入KMnO₄，所加KMnO₄的质量是石墨的2-3倍，搅拌1-2分钟，温度上升至40-45℃，加入浓硫酸体积2-3倍的蒸馏水，搅拌40-50分钟，加入浓硫酸体积1-2倍的质量浓度30%的H₂O₂，搅拌10-15分钟，经过离心分离，用质量浓度5-7%醋酸溶液、蒸馏水和乙二醇反复洗涤后得到氧化石墨纳米材料；

将上述氧化石墨纳米材料配制5-10 mg/mL的氧化石墨烯水溶液，将氧化石墨烯水溶液倒入含氟聚合物为内胆的反应釜中，其中氧化石墨烯水溶液与含氟聚合物的体积比为(3-4):5，于190-200°C条件下反应12-15小时，冷却至室温，去除溶液中的水份，将得到的粉末干燥，得到多孔石墨烯材料；

步骤2，多孔石墨烯和钛酸锂前驱体粉末

将三维多孔石墨烯分散于水中，配成浓度为10-20 mg/mL的三维多孔石墨烯溶液，按摩尔比Li:Ti=0.8:(1-1.1)的比例分别取碳酸锂/醋酸锂混合物和二氧化钛，其中碳酸锂和醋酸锂的质量比为1:(2-4)，将碳酸锂/醋酸锂混合物、二氧化钛和质量为碳酸锂/醋酸锂混合物0.5-1倍的去离子水球磨混合均匀，得到浆料，然后在搅拌条件下混合上述浆料与多孔石墨烯溶液，其中浆料与多孔石墨烯溶液的体积比为(1-3) : (2-5)，得到多孔石墨烯和钛酸锂前驱体溶胶凝胶，在温度100℃-120℃下干燥，干燥时间为12-15小时，得到多孔石墨烯和钛酸锂前驱体粉末；

步骤3，固相反应

将上述前驱体粉末在惰性气体气氛下以每分钟5-10℃的速率升温至800-900℃，烧结12-15小时，所得产物经研磨即得钛酸锂碳复合材料。

其中，步骤3中所述惰性气体为氩气。

其中，步骤1中所述含氟聚合物为聚四氟乙烯。

本发明还提供了一种上述方法制备的钛酸锂碳复合材料。