[发明专利]炭改性纳米Li4Ti5O12与多孔石墨烯复合电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及动力锂离子电池负极材料的制备方法，特别是钛酸锂与石墨烯复合电极材料的制备方法。

背景技术

随着石油、煤等能源的日益紧缩，人类社会正面临着越来越严重的能源危机。在使用传统能源的过程中，所产生的污染已经给环境带来了巨大的破坏，因此，开发清洁和可再生能源是影响未来世界经济的关键技术领域之一。锂离子电池以其高的能量和功率密度、高工作电压、长循环寿命、无记忆效应及无污染等独特优势，成为纯电动车（EV）和混合电动车（HEV）等高性能动力电池的首选。传统的电池负极材料是碳负极材料，虽然碳负极材料已经成功商业化，但是电池本身存在大电流充放电下严重的安全性问题，大大限制了其在动力电池上的广泛应用。所以探究循环性能好、安全性高和新型环保的电池负极材料成为近几年研究的热点。

尖晶石结构的Li₄Ti₅O₁₂以其优异的电化学性能广受关注。它是零应变材料，嵌脱锂电位为1.55V（vs.Li/Li⁺）电压，而且具有高的安全性和优越的循环性能，是一种很有潜力作为新型动力锂离子电池的负极材料。但是，钛酸锂具有较差的电子导电性，这就限制了其高倍率性能。

改善金属基负极材料电化学性能的最有效方法主要是通过活性材料的纳米化和活性材料的复合化相结合。活性材料的纳米化能显著减少其在可逆充放电过程中锂离子和电子在材料中的扩散传输距离，从而提高电池的充放电效率；活性材料的复合化是通过与其它材料的复合，利用其它材料特殊的物理化学性能，弥补和改善活性材料存在的缺陷，提高电池的充放电性能。石墨烯因具有特殊结构和性能，已成为国际科学研究的热点。这种单层碳原子厚度的二维碳材料具有极大的理论比表面积（2600m²/g）、材料本身的电子迁移率高（15000cm²/（V·s））、化学稳定性好以及力学性能优异，因而有较高的储锂能力，同钛酸锂负极材料进行复合，可以有效克服钛酸锂负极材料应用过程中的导电性差的缺点，并有效提高材料的比容量。因此，Li₄Ti₅O₁₂与石墨烯复合材料有望成为新一代高效率、循环性能好、安全性高的动力锂离子电池负极材料。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种钛酸锂与石墨烯复合电极材料的制备方法，使动力锂离子电池负极材料具备高效率、高循环性能、高安全性。

技术方案：一种炭改性纳米Li₄Ti₅O₁₂与多孔石墨烯复合电极材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤（1）制备炭改性纳米Li₄Ti₅O₁₂：

将Li₄Ti₅O₁₂纳米材料置于反应炉的反应区中，在保护气氛下加热，第一次升温至400～500℃，升温至终点后停止加热，通入氢气，通氢气结束后，第二次升温至600～1200℃并在升温同时通入氢气与碳源气体的混合气体，升温至终点后保温反应0.1～5小时，然后停止加热并通入氮气冷却，得到炭改性纳米Li₄Ti₅O₁₂；

步骤（2）制备多孔石墨烯：

配制质量浓度为0.5～1.5g/L的GO溶液，将所述GO溶液与质量浓度为65～70%的硝酸溶液按体积比1∶3～1∶15混合，超声该混合溶液，然后加入去离子水，反复离心洗涤，将体系洗至pH为5～7，冷冻干燥得到带有纳米孔洞的氧化的多孔石墨烯固体；

步骤（3）制备复合电极材料：

称取步骤（1）得到的所述炭改性纳米Li₄Ti₅O₁₂，按照质量浓度0.1～50g/L分散到去离子水中，然后加入表面活性剂，搅拌5～120min得到均匀的分散液；按照最终产物中多孔石墨烯的质量含量为1～30%，称取步骤（2）得到的所述多孔石墨烯固体，加入到所述分散液中，超声分散，抽滤收集产物，在空气中自然晾干；最后将晾干的产物放置在管式炉中，在保护气氛下加热，升温至500～1000℃后保持1～8h，得到最终产物炭改性纳米Li₄Ti₅O₁₂与多孔石墨烯复合电极材料。