[发明专利]一种石墨烯与氮掺杂碳共包覆多孔钛酸锂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种石墨烯与氮掺杂碳共包覆多孔钛酸锂及其制备方法。

背景技术

随着经济的发展，传统的化石能源资源有限，污染环境，能源危机和环境污染问题日益突出。故而，开发新型清洁能源尤为重要，如风能、核能、太阳能、生物能、地热能等。对于这些新能源的开发和利用需要建立完善统一的理论体系，其中储能显得尤为重要。

锂离子电池具有能量密度大、输出功率高、充放电寿命长、无污染、工作温度范围宽及自放电小等诸多优点。通常而言，石墨是常见的锂离子电池负极材料，但是由于钛酸锂的电化学性能优异及其低成本、无毒性和零应变性，所以它是一种有前途的负极材料。

由于商业化的钛酸锂颗粒较大，因此与电解液的接触面积小、锂离子的扩散距离大，而多孔材料可以增加材料与电解液的接触面积并且缩短锂离子的扩散距离，可以大大提高钛酸锂的倍率性能；然而，普通的钛酸锂的导电性差，因此常用表面包覆碳的方法来提高其导电性，但这种方法存在包覆层不均匀、复合改性工序复杂等问题。

近年，氮掺杂碳共包覆制备复合材料的方法逐渐引起了研究者的重视，因为氮元素掺杂碳材料，改变了部分碳原子的杂化轨道，从而提高了其导电率，而石墨烯是由单层碳原子构成的具有二维结构的碳材料，其突出特点是具有优异的电子导电性。同时，石墨烯还具有较高的机械性能和大的比表面积，这些优良特性也使其被用作多种材料的表面包覆材料；因此，有必要通过氮掺杂碳共包覆的方法提供一种导电性能、倍率性能更佳的多孔钛酸锂，这对改善锂离子电池的性能具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明目的之一是提供一种石墨烯与氮掺杂碳共包覆多孔钛酸锂及其制备方法，通过该方法制备的多孔钛酸锂为均匀分散的纳米级，粒度和孔率分布均匀，结构稳定、电化学性能优异，具有良好的倍率性能及高的导电性，同时，本发明制备方法绿色环保、反应时间短、合成温度低、易于工业化。

本发明另一目的是提供上述方法制备的多孔钛酸锂的应用。

为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：

首先，本发明公开了一种石墨烯与氮掺杂碳共包覆多孔钛酸锂制备方法，所述方法具体包括如下步骤：

1)将氧化石墨烯、钛源和有机配体按照一定的比例混合到溶剂中，搅拌，使上述物质分散均匀，得到前驱体溶液。

2)将步骤1)所述的前驱体溶液加热反应一定的时间后，得到石墨烯基钛的金属有机框架化合物(MOF-Ti)。

3)将步骤2)所述的石墨烯基钛的金属有机框架化合物与锂源按一定比例混合，在惰性气氛下进行球磨，然后煅烧，即得石墨烯与氮掺杂碳共包覆多孔钛酸锂。

步骤1)中，所述钛源为钛酸四正丁酯、草酸钛钾中的一种或两种的混合物。

步骤1)中，所述有机配体为2-氨基对苯二甲酸、5-氨基间苯二甲酸、3-氨基苯甲酸、对氨基苯甲酸、邻氨基苯甲酸、间氨基苯甲酸中的一种或两种的混合物。

步骤1)中，所述溶剂为DMF、甲醇、乙醇、去离子水中的一种或两种的混合物。

步骤1)中，所述氧化石墨烯的质量分数为0.1％～50％。

步骤1)中，所述钛离子的浓度为0.1～2mol/L。

步骤2)中，所述加热温度为80～200℃，反应时间为24～96h。

优选的，所述加热温度为120～200℃，反应时间为24～48h。

步骤3)中，所述锂源为碳酸锂、氯化锂、硫酸锂、硝酸锂、乙酸锂、氢氧化锂、氧化锂、氟化锂、碳酸二氢锂、草酸锂等其中一种或几种的混合物。

步骤3)中，所述锂源化合物中锂元素与所述钛源化合物中钛元素的摩尔比为4～5∶5。

步骤3)中，所述球磨的时间为：0.5～30h。

优选的，所述球磨的时间为：6～15h。

步骤3)中，所述煅烧温度为：300～1000℃。

优选的，所述煅烧温度为：500～800℃。

步骤3)中，所述煅烧时间为：1～48h。

优选的，所述煅烧时间为：10～30h。

步骤3)中，所述煅烧的升温速度为1～20℃/min。

优选的，所述煅烧的升温速度为5～15℃/min。

步骤3)中，所述惰性气氛为氩气、氮气中的一种或其两种的混合物。

步骤3)中，所述钛酸锂的分子式为Li₄Ti₅O₁₂。

其次，所述本发明还提供了上述方法制备的锂离子电池负极材料钛酸锂。