[发明专利]一种金属氧化物/碳互插层二维复合材料在锂离子电池负极材料中的应用

说明书

本发明公开一种金属氧化物/碳互插层二维复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。金属氧化物/碳互插层二维复合材料包括金属氧化物层和位于所述金属氧化物层之间的碳层，所述碳层与所述金属氧化物层相互穿插。通过对于层状金属氧化物的碳纳米片插层，改变材料的储锂方式，由原来的嵌入式储锂变成金属氧化物/碳界面的电容性储锂，同时碳纳米片的嵌入，大大提升了材料的电导率、热导率、以及物理稳定性，这种材料的开发，对于锂离子电池电极材料的在容量提升、充放电速度、安全性、以及循环稳定性上均有显著提升，是一种新型的锂离子电极材料。

技术领域

本发明属于锂离子电池领域，具体涉及一种金属氧化物/碳互插层二维复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。

背景技术

现有技术中，锂离子电池负极材料主要以扩散型的储能方式为主，在充放电过程中可能存在充放电速度有限，嵌入过程中膨胀系数大等造成的循环稳定性不佳，以及部分材料本身电导率低下导致电池倍率性能低下。

发明内容

本发明提供一种金属氧化物/碳互插层二维复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。

根据本发明的实施方案，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料包括金属氧化物层和位于所述金属氧化物层之间的碳层，所述碳层与所述金属氧化物层相互穿插。

优选地，所述金属氧化物可以选自碱土-过渡金属氧化物和类金属氧化物，例如可以为钙、铝、硅、锂、镍、钴、钡、钛、铌、钌、钒、钨、钽、铪、锆、铬、钼、锰、镧、铈、镨、钕、钪、钇、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥等元素的氧化物中的一种、两种或更多种；优选地，所述金属氧化物可以选自含有一种、两种或更多种上述元素的碱土-过渡金属氧化物和类金属氧化物；示例性地，所述金属氧化物为二氧化钛、氧化铌、氧化镧、氧化钨、氧化钒、钙钛矿型的镧钛氧化物、天然的蒙脱土种的一种、两种或更多种。

优选地，所述碳层中的碳材料为有机分子(包括高分子)通过插层到层状金属氧化物中，然后通过聚合反应、碳化反应等在金属氧化物层状材料中形成的二维碳基材料；进一步地，所述碳层的组分除了碳之外，根据有机分子的不同，可以掺杂有不用程度的氧、氮、硫等至少一种元素。即所述碳基材料可以为全碳或者含有其他掺杂的碳基材料。示例性地，二维碳基材料可以为类石墨、二维碳基纳米片材料(单层石墨烯，多层石墨烯、氮掺杂石墨烯、氮以及硫掺杂石墨烯、非晶态层状碳、以及其他氮或者硫等掺杂的非晶态片状碳材料中的一种、两种或更多种。

根据本发明的实施方案，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料的重复单元厚度为0.5-5nm，例如0.4-3nm，作为示例，重复单元厚度为1.1nm。其中，所述重复单元由一个金属氧化物层和一个碳层组成。

其中，所述“一个金属氧化物层”指由金属氧化物形成的结构层，可以为单层金属氧化或多层金属氧化物。所述“一个碳层”指由上述碳基材料形成的结构层，可以为单层碳或多层碳。

根据本发明的实施方案，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料的层与层之间可以基本重叠排列，或者层与层之间交错排列。

根据本发明的实施方案，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料的厚度可以为20纳米-50微米，例如厚度为100纳米-30微米、500纳米-15微米。

根据本发明的实施方案，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料的比表面积为10-480m²/g，例如100-470m²/g、300-450m²/g。

根据本发明的实施方案，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料可以为金属氧化物/类石墨互插层二维复合材料、高岭土/碳二维复合材料、或蒙托土/碳二维复合材料；示例性地可以为层状TiO₂/类石墨二维复合材料、TiO₂纳米片/类石墨二维复合材料或蒙托土/碳二维复合材料。