[发明专利]一种锂离子电池用钛酸锂/石墨烯复合负极材料

说明书

技术领域

本发明属电化学和新能源材料领域，尤其涉及一种锂离子电池用钛酸锂/石墨烯复合负极材料。

背景技术

   现代社会的快速发展导致了人类对能源需求的急剧增加，开发和利用清洁新能源是人类社会发展的必经之路。锂离子电池作为“21世纪的绿色二次电池”，具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、对环境污染小、快速充电、自放电率低等优点。作为一类重要的化学电源，锂离子电池由手机、笔记本电脑、数码相机及便携式小型电器所用电池和潜艇、航空航天领域所用电池逐步走向电动汽车动力领域。在全球能源与环境问题越来越严峻的情况下，交通工具纷纷改用储能电池为主要动力源，锂离子电池被认为是高容量、大功率电池的理想之选。

   负极材料作为锂离子电池的核心之一，历来是人们研发的重点对象，提高负极材料的性能是提高锂离子电池性能的关键；同时负极材料的好坏会直接影响锂离子电池的性能、价格及使用。早期锂电池使用金属锂作为负极，但锂在充电过程中容易形成枝晶，刺穿隔膜导致电池内部短路；为克服上述缺点人们开发了以石墨为主的插层化合物作为锂离子电池的负极材料，目前已商品化的锂离子电池主要使用这种负极材料。但石墨材料也存在明显的缺点，如首次库伦效率低，材料体积变化大，石墨层易剥落、粉化；且石墨的层间距过大，容易使锂离子与有机溶剂共同嵌入石墨层，造成基体膨胀和有机溶剂分解，影响电池循环性能和寿命。尖晶石型钛酸锂 Li₄Ti₅O₁₂ ，作为锂离子电池负极材料，它结构稳定，在充放电过程中体积几乎不发生任何变化，因此具有非常好的循环性能；且放电曲线平坦，同时钛资源丰富、清洁环保。

    石墨烯作为一种新型碳材料，自从2004年被发现以来，由于其二维单分子层的六角蜂窝状空穴结构及优异的物化性质，如高的比表面积、高的电子电导率、优越的力学性能和良好的化学稳定性等，而被广泛地应用于锂离子电池。近年来的不少研究表明石墨烯在复合负极材料中不仅提高了负极材料储锂的能力，还可以形成导电网络提升其导电性，同时有助于缩短锂离子的扩散路径，使负极材料的大倍率充放电性能有较大的改善，这些对钛酸锂而言相当重要。目前钛酸锂与石墨烯复合方法大多数是用钛酸锂通过磁力搅拌直接与石墨烯混合，这种简单的机械混合使钛酸锂与石墨烯混合不够均匀，且附着力较弱，不能充分发挥石墨烯高电导率等优点，因而使钛酸锂/石墨烯复合材料的大倍率性能依然不佳，仍然满足不了钛酸锂/石墨烯复合材料的商业化要求。

发明内容

本发明旨在提供一种锂离子电池用钛酸锂/石墨烯复合负极材料的制备方法，所要解决的问题是钛酸锂负极材料的低比容量、低电导率及大倍率充放电性能差等缺点，同时提供一种工艺过程简单、耗能低、生产周期短、环境友好的钛酸锂/石墨烯复合负极材料的制备方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明锂离子电池用钛酸锂/石墨烯复合负极材料的特点在于：所述复合负极材料是钛酸锂与氧化石墨烯混合后经还原剂还原得到的，所述复合负极材料的化学式为Li₄Ti₅O₁₂/Graphene,简记为LTO/G。

 本发明锂离子电池用钛酸锂/石墨烯复合负极材料的特点在于：首先通过水热法制备出纯相钛酸锂，然后与用改进的Hummers法制得的氧化石墨烯充分混合，加入适量还原剂后移至反应釜中反应一定时间得到钛酸锂/石墨烯复合负极材料。

一种锂离子电池用钛酸锂/石墨烯复合负极材料，其特征在于：所述复合负极材料是钛酸锂与氧化石墨烯混合后经还原剂还原制备得到的，包括如下步骤：

(1)将氧化石墨加入到溶剂中超声分散0.5-5h，得到氧化石墨烯溶液；

(2)将由水热法制备的纯相钛酸锂溶于无水乙醇中，通过磁力搅拌形成白色悬浮液，再向其中逐滴加入上述氧化石墨烯溶液及适量的还原剂，继续大力搅拌0.5-3h；

(3)将上述含有钛酸锂及氧化石墨烯的悬浮液移至含聚四氟乙烯内衬的不锈钢高压釜中，在60℃-150℃下连续反应2-24h，冷却到室温后洗涤、离心、干燥，即可得到钛酸锂/石墨烯复合负极材料。

所述的锂离子电池用钛酸锂/石墨烯复合负极材料的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨的溶剂为去离子水、无水乙醇、水和乙醇的混合溶剂中的一种。

所述的锂离子电池用钛酸锂/石墨烯复合负极材料的制备方法，其特征在于，钛酸锂白色悬浮液的浓度为0.01-0.1g/ml，超声后得到的氧化石墨烯溶液的质量分数为0.5%-2wt%。