[发明专利]一种复合氧化物电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电极材料领域，具体涉及一种复合氧化物电极材料及其制备方法。

背景技术

随着新能源技术的不断进步，电子、电器产品的迷你化、随身化趋势，电能存储技术成为了备受瞩目的领域。蓄电池技术在发展过程中主要经历了铅酸电池、氢电池和锂电池等三代。锂离子电池作为一种高性能的二次绿色电池，具有高电压、高能量密度(包括体积能量、质量比能量)、低的自放电率、宽的使用温度范围、长的循环寿命，以及环保、无记忆效应和可以大电流充放电等优点。而锂离子电池性能的改善，很大程度上取决于电极材料性能的改善。目前研究最广泛的正极材料有LiCoO₂、LiNiO₂以及LiMn₂O₄等，但由于钴有毒且资源有限，镍酸锂制备困难，锰酸锂的循环性能和高温性能差等因素，制约了它们的应用和发展。因此，开发新型高能廉价的电极材料对锂离子电池的发展至关重要。

最近几年，Altairnano公司开发出基于纳米钛酸盐的电池，其使用寿命超过20年，并可提供25，000次完全再充电次数，虽然其重量只有相同体积NiMH电池的三分之一，而电能却是NiMH的四倍。其所采用的纳米级钛酸锂氧化物(nLTO)材料是一种尖晶石三维晶状结构的零张力材料，这种材料的结构具有容纳锂原子的空间，大小与原子基本相当，在充放电过程中不会产生压力或应力，使电池可以比传统的锂离子电池更频繁地进行充放电，从而大大延长电池的使用寿命。但其缺陷是钛酸锂电子导电性差，从而使其高倍率性能受到限制。因此需要通过改性来改善其导电性，在保证高可逆电化学容量和良好的循环性能的同时，进一步提高钛酸锂的高倍率性能。目前能够改善钛酸锂倍率性能的方法主要是钛酸锂本体掺杂和引入导电相。潘中来等(公开号：CN101431154A)和徐宁等(公开号：CN101378119A)通过不同的方法对钛酸锂进行碳包覆，虽然对其性能有一定的改善，但对其导电能力提高有限，尤其对能量密度并没有提高。

另外，2005年Nature杂志报道(Geim A K,Novoselov K S.The rise of graphene.Nat.Mater.,2007,6(3):183-191.)，石墨稀是一种特殊能带结构的零带隙半导体材料，在Dirac点附近载流子的质量为零，可以传播微米级的距离而不受到散射，使之表现出许多独特的物性：①石墨稀中载流子可以是电子也可以是空穴，其迁移率达到100000cm².V^-1.S^-1，而且迁移率几乎与温度无关；②载流子的有效速度达到了10⁶m/s，接近光速；③在室温下观测到石墨烯里的载流子都具有不同寻常的半整数量子霍尔效应。石墨稀的特殊结构决定了其优异的高传导特性、高比表面积以及高化学稳定性，从而使其成为储能器件的理想电极材料。

再者，1999年美国Texas大学的J.B.Goodenough等人获得US Patent No.591382de锂电池正极磷酸铁锂材料的专利权，报道了具有正交六方晶格橄榄石结构的磷酸铁锂(LiFePO₄)能够可逆地嵌脱锂，且具有循环性能好、电化学性能稳定、价格低廉等特点，可作为动力锂离子电池材料。但磷酸铁锂存在着致命的缺点：一是导电率低，大电流放电性能差，J.B.Goodenough等人以0.05mA/cm²的小电流放电，获得的磷酸铁锂容量为110mAh/g，远未达到170mAh/g的理论容量；二是振实密度低，电池容量和能量密度低。所以需要对其进行处理，采用表面包覆导电碳材料是改善其导电率的常用方法之一。然而最新研究表明，碳包覆虽然是一种提高磷酸铁锂材料性能的有效手段，但因为结晶方式不同存在不能包覆完全的问题，无法有效提高大倍率放电性能。

如能有效解决上述问题，制备出超级电容器，对于锂离子电池领域将是一个重大突破。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种复合氧化物电极材料，该材料使钛酸锂、石墨烯、磷酸铁锂三种化合物在分子层面上实现晶格互嵌；本发明的另一目的是提供该电极材料的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种复合氧化物电极材料，该电极材料由羧基化石墨烯、钛酸锂和磷酸铁锂组成，制备方法如下：

(1)制备水溶性羧基化石墨烯粉末；

(2)将步骤(1)制得的羧基化石墨烯粉末与高分子碳氢化合物按重量比为1：1配制成羧基化石墨烯粉末质量分数为2～3％的悬浮乳液；