[发明专利]一种镶嵌状复合材料及其制备方法和在锂离子电池负极材料中的应用

说明书

本发明公开一种镶嵌状复合材料及其制备方法和在锂离子电池负极材料中的应用，通过原位溶剂热反应来制备H₂Ti₁₂O₂₅/还原氧化石墨烯电极材料，即镶嵌状复合材料，从而避免了H₂Ti₁₂O₂₅的高温分解；且还原氧化石墨烯能够快速提供电子和离子传导，使得H₂Ti₁₂O₂₅/还原氧化石墨烯电极材料具有优异的电化学性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极材料制备领域，特别是锂离子电池H₂Ti₁₂O₂₅/还原氧化石墨烯负极材料及其制备方法。

背景技术

大规模储能技术中，作为核心的储能装置必须具有安全性、经济性和环境友好性。锂离子电池作为绿色能源，目前已成为全球装机规模最大的电化学储能装置。相对于目前发展相对完善的正极材料而言，负极材料由于更大的改进空间而受到广泛研究。迄今为止，最常用的商用石墨负极材料虽具有较高的可逆性、高理论容量372mA h g^-1和低成本等优点，但其电势接近金属锂的电势，在充电过程中容易形成固体电解质相界(SEI)膜，这将导致电解液被消耗，很容易引起热失控和电池的快速老化；同时锂枝晶的产生将导致安全问题。在这种情况下，高电位的钛基负极材料由于其固有的高安全性、与电解质的化学兼容性等优点，有望解决这些问题。尖晶石型钛酸锂Li₄Ti₅O₁₂负极材料因具有高的充放电平台(1.55V vs.Li⁺/Li)、“零应变”的结构特点、良好的循环稳定性而得到广泛的商业研究，而其相对较低的理论容量(175mA h g^-1)阻碍了其进一步的商业应用。H₂Ti₁₂O₂₅具有电压平台高(1.55V vs.Li⁺/Li)、充放电可逆容量高(大于200mA h g^-1)、结构稳定等优势，不仅可以在很大程度上消除上述石墨负极的安全隐患，而且可以弥补钛酸锂较低可逆容量的弊端。因此有望未来取代商用的石墨、钛酸锂而广泛应用于锂离子电池负极材料中。H₂Ti₁₂O₂₅虽具有相对较高的可逆容量，但较差的导电性限制了其倍率性能。一般而言，对于带电性较差的电极材料，可采用高导电的金属氧化物以及含碳物质对其表面进行包覆改性，这是提高电子导电率的一种有效策略。但是，H₂Ti₁₂O₂₅作为H₂Ti₃O₇加热转化成TiO₂的中间产物，其热稳定性较差，这成为对H₂Ti₁₂O₂₅表面改性的最大阻碍，很大程度上限制了包覆材料和包覆方法的选择。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新的制备方法，解决H₂Ti₁₂O₂₅较差的导电性问题，制备出具有良好电化学性能的H₂Ti₁₂O₂₅/还原氧化石墨烯复合材料，并推动其商业化生产。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种镶嵌状复合材料及其制备方法，按照下述步骤进行制备：

步骤1，将钛源原位水解在分散有石墨烯的溶液中，经溶剂热反应后得到TiO₂/还原氧化石墨烯前驱体；在分散有石墨烯的溶液中，溶剂为乙醇和水，乙醇和水的体积比为(1—5)：1，调节pH为1—3；在80—90摄氏度下进行回流反应以实现钛源在分散有石墨烯的溶液中原位水解，再将水解后体系置于水热反应釜中进行密闭，置于烘箱中进行溶剂热反应，反应温度为150—200摄氏度；