[发明专利]一种改性钛酸锂复合材料及其制备方法与锂离子电池

说明书

本发明公开一种改性钛酸锂复合材料及其制备方法与锂离子电池。本发明先将钛酸锂进行氮化处理，然后将氮化处理过的钛酸锂和氧化石墨烯混合均匀，在惰性气氛或还原性气氛中700～1100℃下煅烧3～10min，即得到改性钛酸锂复合材料。本发明与现有技术相比，采用了电子导电率极大的石墨烯与氮化钛酸锂复合制备改性钛酸锂复合材料，制备工序简单灵活，所用钛酸锂可以是通过任何方法合成而不会影响复合材料性能，且可以适用于对现有钛酸锂材料的改性生产。制备的石墨烯基钛酸锂复合材料大倍率性能良好，并具有较高比容量，可广泛应用于各种便携式电子设备和各种电动车所需的锂离子电池。

技术领域

本发明涉及可充放锂离子电池领域，尤其涉及一种改性钛酸锂复合材料及其制备方法与锂离子电池。

背景技术

目前，锂离子电池负极材料的研究重点正朝着高比容量，大倍率，高循环性能和高安全性能的动力型电池材料方向发展。传统的负极材料是碳负极材料。虽然碳负极已经成功地商业化，但是其存在的电池安全问题特别是大倍率下的安全问题，迫使人们在寻找比碳负极稍正的电位下嵌锂的安全可靠的新型负极材料。其中低电位过渡金属氧化物及复合氧化物作为锂离子电池的负极材料引起了人们的广泛注意，尤其是零应变材料Li₄Ti₅O₁₂，以其1.5V(vs. Li/Li⁺)电压、接近1的充放电效率和优越的循环性能广受关注，是一种很有潜力作为动力型锂离子电池负极材料的电极材料。

但是钛酸锂的电子导电性较差，这就限制了其高倍率性能。因此需要通过对其改性来改善其导电性，从而提高钛酸锂的大倍率性能以适应动力电池需求，并且需要保持其高的可逆电化学容量和良好的循环稳定性。目前，能够提高钛酸锂倍率性能的方法主要包括：制备纳米粒径的钛酸锂，钛酸锂本体掺杂和引入导电相等。现有方法对钛酸锂进行碳包覆，虽然对其性能有一定改善，但是对其导电能力提高有限并且对比容量没有提高。石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度，是一种极好的电子导体，并且石墨稀本身就有很高的储锂比容量。因此，将钛酸锂和石墨烯复合，制备石墨烯基钛酸锂复合电极材料将大大提高钛酸锂材料的导电能力，并有效提高材料的比容量。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种改性钛酸锂复合材料及其制备方法与锂离子电池，旨在解决现有方法对钛酸锂进行碳包覆，虽然对其性能有一定改善，但是对其导电能力提高有限并且对比容量没有提高的问题。

本发明的技术方案如下：

一种改性钛酸锂复合材料的制备方法，其中，包括以下步骤：

（1）制备纳米钛酸锂粉体：将锂源和钛源分别溶于溶剂中，混合两种溶液并加入乙酸；加热至40～100℃，恒温搅拌4～10h；在80～120℃下烘干得到前驱体；将所述前驱体分散在去离子水中，经喷雾干燥制得粉体；将所述粉体在700～1000℃下煅烧6～18h；再经冷却，研磨，即得纳米钛酸锂粉体；

（2）制备氮化钛酸锂粉体：将所得纳米钛酸锂粉体在氮气氛中加热到700～1000℃进行氮化处理5～10h，得到氮化钛酸锂粉体；

（3）制备氧化石墨烯：将天然鳞片石墨和硝酸钠混合，加入浓硫酸，冰水浴中搅拌10～20min，再加入高锰酸钾，冰水浴中反应0.5～1h，20～25℃下搅拌24～48h后，加入去离子水和双氧水反应10～20min，离心分离；分离产物经洗涤，再经过离心分离、干燥即得氧化石墨烯；

（4）制备改性钛酸锂复合材料：将制备好的氮化钛酸锂粉体和氧化石墨烯混合均匀，在惰性气氛或还原性气氛中700～1100℃下煅烧 3～10min，即得到改性钛酸锂复合材料。

所述的制备方法，其中，步骤（1）中，所述锂源为氢氧化锂、醋酸锂和硝酸锂中的一种或两种以上的混合物；所述钛源为钛酸四丁酯或钛酸四异丙酯。