[发明专利]一种钴掺杂钛酸锶/石墨烯复合材料、制备方法及应用

说明书

本发明属于材料化学的技术领域，具体涉及一种钴掺杂钛酸锶/石墨烯复合材料、制备方法及应用。该复合材料是由钴离子掺杂的钛酸锶与石墨烯共同组成，石墨烯包覆在钛酸锶表面，形成球状结构，钛酸锶作为容量主体，石墨烯作为导电网络与缓冲基质，且可以抑制充放电过程中活性物质的团聚，该制备方法先通过水热法制备钴掺杂钛酸锶，再通过喷雾干燥制备钴掺杂钛酸锶/石墨烯复合材料，增强其循环稳定性。

技术领域

本发明属于材料化学的技术领域，具体涉及一种钴掺杂钛酸锶/石墨烯复合材料、制备方法及应用。

背景技术

锂离子电池具有高电压、高能量、循环寿命长、无记忆效应等众多优点，已经在消费电子、电动工具、医疗电子等领域获得了广泛应用。在纯电动汽车、混合动力汽车、电动自行车、轨道交通、航空航天、船舶舰艇等交通领域逐步获得推广。同时，锂离子电池在大规模可再生能源接入、电网调峰调频、分布式储能、家庭储能、数据中心备用电源、通讯基站、工业节能、绿色建筑等能源领域也显示了较好的应用前景。

负极材料是决定锂离子电池性能的关键因素之一，为了使锂离子电池具有较高的能量密度、功率密度，较好的循环性能以及可靠的安全性能，负极材料作为锂离子电池的关键组成部分受到了广泛地关注。对负极材料的选择应满足以下条件：①嵌脱Li反应具有低的氧化还原电位，以满足锂离子电池具有较高的输出电压；②Li嵌入脱出的过程中，电极电位变化较小，这样有利于电池获得稳定的工作电压；③可逆容量大，以满足锂离子电池具有高的能量密度；④脱嵌Li过程中结构稳定性好，以使电池具有较高的循环寿命；⑤嵌Li电位如果在1.2Vvs.Li⁺/Li以下，负极表面应能生成致密稳定的固体电解质膜（SEI），从而防止电解质在负极表面持续还原，不可逆消耗来自正极的Li；⑥具有比较低的电子和锂离子的输运阻抗，以获得较高的充放电倍率和低温充放电性能；⑦充放电后材料的化学稳定性好，以提高电池的安全性、循环性，降低自放电率；⑧环境友好，制造过程及电池废弃的过程不对环境造成严重污染和毒害；⑨制备工艺简单，易于规模化，制造和使用成本低。

由于当前工业化应用的负极材料如石墨、软碳、硬碳等比容量偏低(石墨理论比容量仅为372mAh•g^-1),锂离子扩散系数较小,不容易快速充放电,且耐过充过放电能力差,难以满足上述需要,故研究和开发新型锂离子电池负极材料是当前电化学研究领域的热门课题。

发明内容

本发明的目的为针对当前锂离子电池负极材料存在的放电比容量低，循环稳定性差等不足，提供一种钴掺杂钛酸锶/石墨烯复合材料、制备方法及应用。该制备方法先通过水热法制备钴掺杂钛酸锶，再通过喷雾干燥制备钴掺杂钛酸锶/石墨烯复合材料。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种钴掺杂钛酸锶/石墨烯复合材料，其特征在于，该复合材料是由钴离子掺杂的钛酸锶与石墨烯共同组成，石墨烯包覆在钛酸锶表面，形成球状结构，钛酸锶作为容量主体，石墨烯作为导电网络与缓冲基质，且可以抑制充放电过程中活性物质的团聚，增强其循环稳定性。

本发明的另一目的在于一种钴掺杂钛酸锶/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，该方法先通过水热法制备钴掺杂钛酸锶，再通过喷雾干燥制备钴掺杂钛酸锶/石墨烯复合材料。

作为进一步优选，本发明的一种钴掺杂钛酸锶/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)制备钴掺杂钛酸锶纳米颗粒：

取氯化钴，氯化钛，八水合氢氧化锶，溶于醋酸溶液中，醋酸溶液浓度为20～40%，持续搅拌12～24小时后转移至聚四氟乙烯的反应釜内衬中，置于恒温炉后升温至200～300℃，保温12～24小时；随炉冷却后，离心收集产物，用去离子水洗涤三次，干燥后得到钴掺杂钛酸锶纳米颗粒；

（2）制备钴掺杂钛酸锶/石墨烯复合材料：