[发明专利]一种钛酸锂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复合电极材料的制备方法，属于锂离子电池和混合超级电容器领域。

背景技术

当今时代，煤、石油、天然气等不可再生资源日益枯竭，环境问题越来越受到人们的关注，开发和利用可再生资源成为解决人类生存和发展的重要问题。传统的铅酸蓄电池、镍氢蓄电池能量密度和功率密度已经不能满足未来储能系统的要求，特别是伴随着电动汽车及笔记本电脑、数码相机等各种便携式电子设备的广泛应用，对电池的可逆存储容量及稳定性要求更高，并要求具有较长的使用寿命，因此研究和开发具有更高性能的锂离子电池至关重要。新一代环境友好的锂离子二次电池具有能量密度高、工作电压高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应、环境友好等优点，是继镍氢电池、镍镉电池之后的可充电绿色电池，近年来成为人们关注的重点。

在锂离子电池中，电极材料的选择对电池的比能量、循环稳定性等有很大影响，因此选择合适的电极材料有望提高锂离子电池的综合性能。目前市场上锂离子电池负极材料使用的主要是各种嵌锂碳材料（石墨、中间相炭微球等），虽然采用碳材料的锂离子电池具有能量密度高的优点，但是其功率特性、循环寿命和安全性却受到了限制。近年来，钛酸锂（Li₄Ti₅O₁₂）作为动力锂离子电池的负极材料日益受到重视，这是因为尖晶石型Li₄Ti₅O₁₂在锂离子插入和脱出前后的晶格常数变化很小，被称为“零应变材料”，因而可以具有优异的循环稳定性，同时Li₄Ti₅O₁₂的充放电平台电位约1.55 V（vs. Li⁺/Li），当用作锂离子电池负极时，比金属锂和碳类材料电位高很多，不但表面不形成固体电解质膜（SEI膜），而且在充放电过程中避免了可导致安全隐患的金属锂枝晶的形成，具有很好的安全性，另外Li₄Ti₅O₁₂还具有倍率性能好、库伦效率高等特点，是一种优异的动力电池材料。

虽然Li₄Ti₅O₁₂具有较高的理论比容量、较好的循环性能和安全性能，但是纯相Li₄Ti₅O₁₂本身是绝缘体，其电子导电率仅为10^-13 S·cm^-1，在一定程度上限制了该材料倍率性能的表现，也限制了其在动力锂离子电池以及超级电容器领域的应用。因此，目前有较多的研究工作着眼于提高Li₄Ti₅O₁₂的离子导电性和电子导电性。常用的方法有：(1)改进制备方法以获得颗粒较小且粒径分布较均匀的Li₄Ti₅O₁₂，缩短Li⁺的扩散路径；(2)掺杂金属离子；（3）在Li₄Ti₅O₁₂颗粒表面包覆碳或制备Li₄Ti₅O₁₂与导电剂的复合物。

石墨烯是一种仅由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型晶格且只有一个碳原子厚度的二维材料。由于石墨烯具有结构稳定、电导率高、比表面积大（理论可达2600 m² g^-1）等优点，作为锂离子电池负极材料添加剂时，可以明显提高电子导电性，使负极具有出色的高倍率充放电性能。但是由于石墨烯材料表面呈惰性状态，化学稳定性高，与其他介质的相互作用较弱，并且石墨烯片层间有较强的范德华力作用而容易发生聚集，因此如何在应用时保持石墨烯的有效分散也是一个亟待解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钛酸锂复合电极材料的制备方法，以解决石墨烯在复合材料中分散性较差的问题，进而提高钛酸锂材料的电子导电性，从而获得具有高倍率性能的石墨烯/钛酸锂复合材料。

本发明的技术方案是这样实现的：一种钛酸锂复合电极材料的制备方法，其特征在于：采用固相方法制备钛酸锂材料；将石墨烯与聚乙二醇混合并超声分散到溶剂中，形成导电石墨烯分散液；将钛酸锂材料与导电石墨烯分散液按比例混合，经球磨、干燥后，在保护气氛中进行热处理烧结得到石墨烯/钛酸锂复合材料；工艺包括如下步骤：