[发明专利]一种钛酸锂与石墨烯复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛酸锂与石墨烯复合材料的制备方法，尤其是一种片状钛酸锂与石墨烯复合的电极材料的制备方法及复合电极材料。

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，发展电动车是未来发展的必然趋势。风能、太阳能、地热能等绿色能源的大规模应用，对储能器件提出了更高的要求，特别是对储能电池的使用寿命。 

各种电子设备以及电动汽车、混合动力汽车快速发展，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。目前广泛使用的碳负极材料由于电位过低，易于电解液发生反应，使得电池体系安全性较差；此外，碳负极材料功率性能较差，不能解决其快速充放电问题，因此不能满足电动车的使用要求。

锂离子动力电池应用于电动汽车的主要障碍是电池的安全性、能量密度、功率密度以及高功率充放电循环性能，而制约上述性能的关键因素是电池所使用的电极材料。目前所研究的锂离子动力电池通常以磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、锰酸锂为正极材料，碳材料为负极材料，虽然上述三种正极材料本身的安全性能较好，但是在在电池非正常状态使用时嵌锂碳负极材料会与电解液发生剧烈反应，放出大量的热和可燃性气体，导致电池失效，甚至爆炸。用碳材料为负极的大容量高功率型锂离子动力电池的安全性问题一直没有得到有效解决，严重制约了其在电动汽车上的应用，所以如何解决锂离子动力电池的安全性问题已经成为困扰其产业化发展的根本性问题，也是阻碍电动汽车产业化的关键问题。

解决锂离子动力电池安全性问题的关键是用更加安全、与电解液反应活性更小的负极材料替代碳负极材料。钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）作为一种新型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应用，被认为是最有希望的下一代锂离子电池负极材料。而钛酸锂目前所面临的主要问题是本征电子电导低，导电性较差，制约了其作为高功率负极材料在动力型锂离子电池中的应用。目前提高钛酸锂的高倍率充放电性能的主要途径有下面三种：

制备纳米粒径Li₄Ti₅O₁₂，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Li₄Ti₅O₁₂颗粒，工艺复杂，成本较高，不利于产业化；

用模板法制备多孔或者中空结构的Li₄Ti₅O₁₂，可有效提高材料的导电性能与高倍率充放电性能；

通过金属元素掺杂和碳包覆提高Li₄Ti₅O₁₂电极材料的功率性能是目前最常用的方法。

目前工业化制备Li₄Ti₅O₁₂主要采用的方法是高温固相法，合成方法为将TiO₂和锂源（主要为Li₂CO₃、LiOH和LiNO₃）充分混合，高温烧结得到产物。固相合成法虽然工艺简单、成本低，但大多数产品是微米级，并且颗粒分布不均，高倍率性能差。

目前，提高Li₄Ti₅O₁₂倍率性能的方法还有将Li₄Ti₅O₁₂与石墨烯、碳纳米管、碳纳米线等碳材料相复合，这些方法能很好地提高其倍率性能，但由于其中的Li₄Ti₅O₁₂都是以三维颗粒状存在，在复合时与碳纳米管、石墨烯等一维和二维材料无法充分接触，接触面积有限，限制了其性能的进一步提高。

发明内容

本发明旨在提供一种钛酸锂与石墨烯复合电极材料的合成方法及复合电极材料，所用石墨烯为本实验室自己制备或市场购买的石墨烯，本方法合成的Li₄Ti₅O₁₂为纳米片状结构，与同为片状结构的石墨烯可以更加充分地接触，用作动力电池负极材料比容量高、高倍率充放电性能好、充放电效率高、循环性能好、安全性好等特点。

 本发明钛酸锂与石墨烯复合电极材料制备方法的详细内容如下：