[发明专利]一种钛酸锂复合材料、其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，尤其涉及一种钛酸锂复合材料、其制备方法和应用。

背景技术

钛酸锂在充放电过程中体积几乎不发生变化，循环性能好，嵌锂电位高(1.55V vs.Li/Li⁺)而不易引起金属锂析出、库仑效率高、锂离子扩散系数(为2×10^-8cm2/s)比碳负极高一个数量级等优良特性，因此充电次数更多、充电过程更快、更安全的特性，使其成为最具开发和应用潜力的新一代锂离子电池负极材料。但是现有技术钛酸锂材料的导电性差(固有导电率10-9S/cm)，充放电倍率低等限制了其商品化。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种钛酸锂复合材料，解决现有技术钛酸锂复合材料充放电倍率低的技术问题。

本发明是这样实现的，

一种钛酸锂复合材料，该钛酸锂复合材料包括石墨烯和纳米级钛酸锂微粒，该纳米级钛酸锂微粒外表面有碳包覆层，该石墨烯分布在碳包覆层外部，该纳米级钛酸锂微粒化学组成为Li₄Ti_5-xM_xO₁₂，0.001≤x＜5，M为过渡金属元素。

本发明实施例进一步提供一种钛酸锂复合材料制备方法，包括如下步骤：

按锂、钛及金属M摩尔比4∶5-x∶x将锂的源化合物、二氧化钛及金属M的氧化物混合，研磨1-10小时，在400-900℃温度下，于空气中煅烧1-16小时，得到化学组成为Li₄Ti_5-xM_xO₁₂的纳米微粒，0.001≤x＜5，M为过渡金属元素；

将该纳米微粒和有机碳源单体于溶剂中混合搅拌反应，得到有机碳源单体包覆钛酸锂纳米微粒；

将该有机碳源单体包覆纳米微粒和氧化石墨烯于溶剂中混合，得到混合溶液；

将该混合溶液干燥、研磨得到前躯体；

将前躯体于还原气氛和400-1000℃温度下煅烧1-24小时，得到钛酸锂复合材料。

本发明实施例还提供上述钛酸锂复合材料在电池或电容器中的应用。

本发明实施例钛酸锂复合材料，通过纳米级钛酸锂微粒表面的碳包覆层，在钛酸锂晶格中掺杂的金属及在该钛酸锂复合材料中掺杂石墨烯，大大提高了钛酸锂复合材料的导电性能，使该钛酸锂复合材料充放电倍率显著提高。

本发明实施例制备方法，操作简单、成本低廉，适于工业化生产。

附图说明

图1是本发明实施例钛酸锂复合材料SEM图；

图2是本发明实施例钛酸锂复合材料充放电曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种钛酸锂复合材料，该钛酸锂复合材料包括石墨烯和纳米级钛酸锂微粒，该纳米级钛酸锂微粒外表面有碳包覆层，该石墨烯分布在碳包覆层外部，该纳米级钛酸锂微粒化学组成为Li₄Ti_5-xM_xO₁₂，0.001≤x＜5，M为过渡金属元素。

纳米级钛酸锂微粒是本发明实施例钛酸锂复合材料的基本组成单元，该纳米级钛酸锂微粒也即纳米级钛酸锂微粒。请参阅图1，从图1中可知，该纳米级钛酸锂微粒为球形或类球形，粒径为50纳米～100微米，优选为50-200纳米。钛酸锂微粒的粒径为纳米级或微米级，保证了该钛酸锂复合材料在充放电过程中，锂离子扩散的距离较短，大大增加锂离子的扩散速率，从而实现了本发明实施例钛酸锂复合材料快速充放电性能的大大提高。

具体地，该纳米级钛酸锂微粒外表面有碳包覆层，该碳包覆层是通过有机碳源单体煅烧，碳化而形成。该碳包覆层和纳米级钛酸锂微粒紧密接触，由于碳是优良的导电材料，该碳包覆层大大提高本发明实施例钛酸锂复合材料导电性能，实现了钛酸锂复合材料充放电倍率的大大提高。

在该碳包覆层的外部分布有石墨烯，石墨烯掺杂在钛酸锂复合材料的碳包覆纳米级钛酸锂微粒之间，在一些具体实施例中，该碳包覆层结合于石墨烯表面，使得纳米级钛酸锂微粒通过碳包覆层和石墨烯的连接关系而附着在石墨烯表面。更优选地，石墨烯形成皱褶，在碳包覆层的外表面形成石墨烯包覆层。