[发明专利]一种石墨烯/钛酸锂复合材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明一种石墨烯/钛酸锂复合材料的制备方法及其应用，属于电化学技术领域。

背景技术

能源与环境问题日益严重，清洁能源的开发与使用迫在眉睫，风能、太阳能、地热能等绿色新能源的大规模应用的前提下，人们对储能器件的要求越来越高，尤其是电池的循环寿命。在汽车行业，电动汽车贺混合动力汽车的迅速发展，对为其提供能量的锂离子电池提出了更加苛刻的要求，特别是其功率性能以及循环性能，由于其他负极材料各自的缺点，钛酸锂作为一种新型的负极材料具有很多优点，例如安全性能好、使用寿命长、充放电效率高、结构稳定等，有潜力在锂离子动力电池领域得到广泛的应用，被认为是最有希望的下一代锂离子动力电池的负极材料。

在碳材料中，石墨烯因为其优异的性能而在科学界引起了广泛的关注。因为石墨烯具有以下优点：高电导率、比表面积大（理论比表面积为2630 m²/g）、电子导电性较高、机械强度搞，化学性能稳定（Alexander A. Balandin, Suchismita Ghosh,Wenzhong Bao , Irene Calizo , Desalegne Teweldebrhan , Feng Miao and Chun Ning Lau. Superior thermal conductivity of single-layer graphene. Nano Letters，2008，8(3): 902-907），电子在石墨烯中的迁移率可达2×10⁵cm²·V^-1·s^-1，约是电子在硅中迁移率的140倍。石墨烯是室温下导电性能极佳的材料，其电导率可达106 S·m-1（Keun Soo Kim, Yue Zhao, Houk Jang, Sang Yoon Lee, Jong Min Kim, Kwang S. Kim, Jong-Hyun Ahn , Philip Kim , Jae-Young Choi & Byung Hee Hong。Large-scal pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes. Nature，2009，457(7230): 706-710），所以它是化学能源的理想电极材料。

锂钛复合氧化物 Li₄Ti₅O₁₂具有尖晶石结构，20世纪70 年代被作为超导材料进行大量研究，80年代末曾作为锂离子蓄电池的正极材料进行研究，但因为它相对于锂电位偏低且比能量也较低 （理论比容量为 175 mAh/g），而未能引起人们的广泛关注。1996年，加拿大研究者K.Zaghib首次提出可采用钛酸锂材料作负极与高电压正极组成锂离子蓄电池和与碳电极组成不对称超级电容器。后来，小柴信晴等人也将其作为锂离子负极材料开展了研究。 但直至1999年前后，人们才对Li₄Ti₅O₁₂作为锂离子蓄电池的负极材料开始了大量的研究。尖晶石钛酸锂常温下的化学扩散系数为2×10^-8cm²/s，比碳负极材料大一个数量级，充放电速度更快。但是钛酸锂也有其不足之处，钛酸锂的固有电导率为10^-9S/cm，属于典型的绝缘体，导电性差，大电流放电性能差，因此制备高性能的钛酸锂电极材料必须从改善钛酸锂的电导率。

制备纳米粒径的钛酸锂，主要通过溶胶-凝胶法制备，可以得到纳米级、颗粒分散均匀的钛酸锂颗粒，但是其工艺复杂，成本较高，不利于产业化，广泛使用度低。

用表面活性剂作为模板的模板法制备中空结构的钛酸锂可以有效的提高该材料的导电性能和高倍率充放电性能。

目前，提高钛酸锂的倍率性能的方法还有将钛酸锂与石墨烯、碳纳米管、碳纳米线等碳材料相复合，这些方法能很好的提高其倍率性能，但由于其中的钛酸锂是以三维颗粒存在的，在复合时碳纳米管、石墨烯等一维和二维材料无法充分接触，接触面积受限制，限制了其性能的进一步提高。

经过广泛的研究和反复的试验发现，采用微波震荡，加入表面活性剂作为反应的模板并且与石墨烯等碳材料相复合能够得到一种性能优异的钛酸锂复合锂电池负极材料，1C倍率下有140mAh/g，循环1000次后仍能保持99%以上，具有很高的循环性能。

发明内容