[发明专利]过渡金属氧化物/石墨烯复合材料的制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及几种过渡金属氧化物/石墨烯复合材料的制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池。

背景技术

21世纪以来，不可再生的能源(如石油，天然气等)的储量不断下降以及耗能成本也在不断上升，能源危机和环境污染引起人们的广泛关注。因而，发展绿色能源、提高能源的利用率成为社会可持续发展的重要课题。随着人们日益增加的能源需求，电能已成为现代社会中使用最广泛、最方便、污染最小的二次能源。在这众多储能器件中，电化学储能器件扮演了重要的角色。铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池、超级电容器等根据其特点被地应用在不同领域。作为新型绿色的储能器件，锂离子二次电池具有比能量高、循环性能好、寿命长、工作电压高以及安全、无记忆效应等优点。在日常的生活中，所处可见，所处在用，电子手表，手机，笔记本，大到我们的交通工具，电动汽车，因此锂离子电池成为了当今的研究热点之一。

从锂离子电池的结构体系来看，其主要组成部分是正极、负极、电解液和隔膜组成。负极材料是锂离子电池的四大组成部分之一，对其的改善研究工作成为锂离子电池发展的重要部分。理想的负极材料应该具有高的质量比容量和体积容量，低的电压平台(相对于正极)，长的循环寿命，锂离子扩散快，环境友好，易制备，低毒和成本低等特点。目前，商业化的石墨，由于其理论电容只有372mAhg^-1及其安全问题，使得作为锂离子负极材料遇到了瓶颈的发展。过渡金属氧化物由于具有比较高的理论单位电容和能源密度，使得其作为锂离子负极材料得到广泛地研究。但前期并没有得到很好的发展，主要因为体积膨胀厉害，导电性差，容量衰减比较快等因素。因此，研发新型的高比容量的负极材料成为当前锂离子电池领域的热点。

过渡金属氧化物以较高的理论比容量和新的储锂机制被认为是很有前途的锂离子电池负极材料。过渡金属氧化物(如SnO₂，Fe₂O₃，MoO₃，Co₃O₄和NiO)因具有电极电位较低，储锂容量高的优点，被作为锂离子电池负极材料广泛研究。过渡金属氧化物的导电性能差，作为锂离子负极材料时，在充放电循环过程中，具有比较大的体积膨胀粉末化，而且容易造成结构坍塌，与集流体失去接触，从而影响了其锂电性能。而研究表明，石墨烯具有优异的导电性、超高的比表面积和很好的机械强度等优点，将过渡金属氧化物和石墨烯进行复合处理，可以提高其导电性，缓解在充放电时锂离子嵌入与脱出导致的体积膨胀与结构坍塌，从而改善其锂电性能。因此构建过渡金属氧化物/石墨烯三维结构复合材料，利用石墨烯柔韧的网状导电结构改善电极材料的导电性能，可以提高材料的电化学性能。中国发明专利(公开号CN105514363A)“用作锂离子电池负极的Mn₃O₄/RGO纳米复合材料的制备方法”公布了一种Mn₃O₄/RGO纳米复合材料的合成方法，需要需要经过多步操作和水热反应，且Mn₃O₄在石墨烯上分布均一性差，难以批量合成。例如，在Zhang Mengmeng等(Journal of Power Sources,2015,290,25-34)采用水热法制备的Co₃O₄/氮掺杂石墨烯复合材料，Co₃O₄在氮掺杂石墨烯上分布不均匀，从而影响其锂离子电池的性能。综上所述，目前大多石墨烯复合材料是石墨烯和过渡金属氧化物的混合状态，过渡金属氧化物在石墨烯上分布不均匀，在嵌锂/脱锂过程中，过渡金属氧化物容易在石墨烯上脱落，使得导电能力下降，最终影响锂离子电池的性能。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供过渡金属氧化物/石墨烯复合材料的制备方法、锂离子电池负极、锂离子电池。本发明利用价格低廉原料制备得到三维还原氧化石墨烯，通过水热、复合、煅烧，得到过渡金属氧化物/石墨烯复合材料。本发明针对提高过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料和石墨烯复合材料的广泛应用，提供了一种工艺简单、产率高、易扩大生产的制备方法。

过渡金属氧化物/石墨烯复合材料的制备方法，步骤包括：

A、将过渡金属盐溶解在去离子水中，搅拌均匀，得到浸泡液，然后将三维还原氧化石墨烯分散在浸泡液中制得混合液放置；