[发明专利]一种镍基三维有序二氧化钛/石墨烯复合材料的制备方法及其在锂离子电池中的应用

说明书

本发明提供一种镍基三维有序二氧化钛/石墨烯复合材料的制备方法，其具体步骤如下：经由三维纳米微球自组装方式制备三维有序聚苯乙烯微球密堆积结构；制备镍基三维有序介孔结构；以及制备镍基有序介孔二氧化钛/石墨烯复合材料。由该制备方法制得的镍基三维有序二氧化钛/石墨烯复合材料具有良好的导电性，相互连接的镍基三维有序介孔结构，具有高比表面积，良好的导电性和稳定性，有利于增大单位面积的电荷储存密度，提高锂离子电池的比容量、倍率特性和能量密度。同时，由于二氧化钛和还原氧化石墨烯具有协同的电化学性能，极大地的提升了其复合电极的电化学性能。

技术领域

本发明涉及复合材料与精细化工技术领域，涉及一种三维介孔二氧化钛/石墨烯复合材料的制备方法。

背景技术

随着电子信息技术的高速发展和各种电子产品的普及，从电动汽车到便携式电子产品，对具有高能量密度、长循环寿命、安全且低成本锂离子电池的需求日益迫切。研究表明，提高电池的能量密度和循环寿命的有效方法，就是提高电极中的离子的迁移效率和电子传输效率，并使电极上活性材料的负载率最大化。因此，开发具有良好的离子迁移效率、电子传输效率和高负载量的电极材料，就成为了锂离子电池的研究重点。

众所周知，介观结构的电极可以提供有效的离子和电子传输长度，但是，仍然很难同时满足高体积分数活性材料的负载和短而有效的离子和电子通道。而具有有互相连接的离子和电子传导网络的介观结构的电极，可以提供有效的离子和电子传输路径，如泡沫镍结构、不锈钢网、聚合物支架、炭支架等。这些结构通常具有低的活性材料负载，并且在某些特殊情况下限制了长距离离子扩散的路径。因此，三维反向蛋白石结构的金属基骨架，是具有适当尺寸、周期性孔、高比表面积和良好连通空间的锂离子电池支撑材料。这种特定的结构可以促进电极材料浸润，并使离子和电子在相邻的孔壁之间高速扩散，从而进一步提高电导率。

二氧化钛(锐钛型)是一种典型的锂离子电池电极材料，由于其低工作、低成本、广泛的可用性、机械稳定性、良好的循环稳定性等优势，被广泛用于锂离子电池(LIB)、太阳能电池、传感器等领域。然而，TiO₂作为LIB电极的挑战，主要体现在不良的电导率和循环过程中的体积变化等。石墨烯是一种具有蜂窝结构的二维材料，具有优异的机械性能、导电性、导热性、电化学性能等，被广泛用于柔性电子、传感器、智能可穿戴设备以及储能器件等领域。

为解决此问题，研究人员引入了介孔结构锂离子电池负极，该负极由三维镍基介孔结构骨架组成，该骨架上沉积了电化学活性的锐钛矿型TiO₂和氧化石墨烯(RGO)。包括ALD和喷涂的组合在内的制造方法导致高的可用活性物质负载，这超出了大多数其他3D结构化电极的负荷。这种高负载导致高体积容量，这是通过 3D电导率Ni支架和RGO的组合实现的，RGO既导电又有助于电极的容量。3D 纳米结构电极在0.5C下经过200次恒电流充放电循环后呈现出几乎完整的形态，表明其结构稳定性。这里的方法演示了3D支架电极如何以较低的电导率和有限的结构稳定性释放活性材料的最大锂存储能力。

到目前为止，未见文献报道：原子层沉积制备的二氧化钛与石墨烯的有序复合或者在三维反蛋白石的介孔结构上负载二氧化钛和石墨烯。

发明内容

本发明旨在提出一种三维介孔二氧化钛/石墨烯复合材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种镍基三维有序二氧化钛/石墨烯复合材料的制备方法，具体步骤如下：

(1)经由三维纳米微球自组装方式制备三维有序聚苯乙烯微球密堆积结构；

(2)制备镍基三维有序介孔结构；以及

(3)制备镍基有序介孔二氧化钛/石墨烯复合材料。

进一步地，步骤(1)具体包括如下步骤：(11)对金属钨片基体进行表面预处理；以及(12)将经步骤(11)处理完成的金属钨片置于聚苯乙烯微球分散液中，聚苯乙烯微球在钨片表面进行自组装，以制得三维有序排列的密堆积结构。