[发明专利]磺化石墨烯基碳包覆钛酸锂复合材料及其制备和应用

说明书

本发明涉及一种磺化石墨烯基碳包覆钛酸锂复合材料及其制备和应用，复合材料由钛酸锂、碳和磺化石墨烯组成，其中Li₄Ti₅O₁₂于复合材料上的质量含量为92～98％，磺化石墨烯和碳在复合材料中的质量含量是2～8％，磺化石墨烯与碳的质量比例为(2～4):1，碳包覆的钛酸锂附着于磺化石墨烯上。与现有的技术相比，提高了钛酸锂的电子导电性和离子导电性，从而使得合成的磺化石墨烯基碳包覆钛酸锂(S‑GNS/C@LTO)具有优异的倍率性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别涉及一种锂离子超级电容器用负极材料。

背景技术

电化学超级电容器是一种基于双电层或法拉第准电容机理工作的储能器件，由于具有充放电速度快、功率密度高、循环寿命长、工作温度范围宽等优点而受到广泛关注。与锂离子电池相比，电化学电容器能量密度相对较低，但其循环寿命长，广泛应用于电动汽车启动装置、脉冲电源和移动备用电源等领域。随着混合电动汽车以及其对高功率密度和能量密度的需求，锂离子超级电容器作为一种新型的储能器件得到越来越广泛的关注。但是，由于锂离子超级电容器同时使用锂离子电池和超级电容器的电极，其具有双重特性，具有比常规电容器能量密度大，比锂离子电池功率密度大的优点。因此，锂离子超级电容器有望用于电动汽车、航天、军事等能量型大功率的电子产品领域。

作为锂离子超级电容器的负极材料，钛酸锂具有以下优点：(1)在充放电过程中，随着锂离子的嵌入和脱出，钛酸锂几乎不发生体积变化，故被称为“零应变材料”；(2) 由于其嵌锂平台(1.55V(vs.Li/Li⁺)高于大多数有机电解质的还原电位，因此能够有效避免SEI的形成和锂枝晶造成的安全问题。然而，Li₄Ti₅O₁₂较低的电导率和较小的锂离子扩散系数，导致其在大倍率下充放电性能较差，从而限制了钛酸锂的广泛应用；单层或者层数少的石墨烯具有优异的导电性，与钛酸锂复合可以显著提高其导电性进而提高其倍率性能。但是在复合材料合成过程中石墨烯极易团聚，其本身优异的导电性能并不能很好的发挥出来。

发明内容

本发明要解决现有方法制备的钛酸锂负极材料倍率性能差和石墨烯用于复合材料合成过程中易团聚的问题，而提供一种磺化石墨烯基碳包覆Li₄Ti5O12复合负极材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明具体的技术方案如下，

在磺化石墨烯基碳包覆Li₄Ti5O12复合负极材料中，Li₄Ti₅O₁₂于复合负极材料上的质量含量为92～98％，磺化石墨烯和碳在复合材料中的总质量含量是2～8％。磺化石墨烯和碳的质量比为(2-4:):1。

本发明得到磺化石墨烯基碳包覆钛酸锂复合材料中各组分的最佳质量含量是：Li₄Ti₅O₁₂为95％，磺化石墨烯和碳是5％，磺化石墨烯与碳的比例是3:1。所使用的表面活性剂中CTAB效果最好。

磺化石墨烯和碳制备方法按以下步骤进行：

(1)按钛元素和锂元素物质的量比为5:(4～5)的比例称取钛源和锂源，溶解于蒸馏水中，其中锂源为碳酸锂、乙酸锂和氢氧化锂中的一种或二种以上混合；钛源为钛酸四丁酯、钛酸丁酯或钛酸四正丁酯中的一种或几种混合；溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇一种或二种以上；

(2)将磺化石墨烯(磺化石墨烯)分散于蒸馏水中，超声0.1-1h；

(3)将步骤(2)得到的溶液加入到一定质量分数(0.2-0.8wt％)的表面活性剂水溶液，同时搅拌并且加热，时间为10-25h，温度为25-60℃；