[发明专利]负载铌酸钴氧化物的石墨烯复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种负载铌酸钴氧化物的石墨烯复合材料及其制备方法和应用。所述复合材料包括石墨烯以及负载在所述石墨烯表面的CoNb₂O₆材料，其中，所述CoNb₂O₆材料包括至少一个主干以及自所述主干向外延伸的多个分支。该复合材料通过石墨烯的表面限制，诱导生长具有独特的主干‑分支结构、高结晶度的CoNb₂O₆材料，使该复合材料具有高容量、优异的循环稳定性和电化学性能，作为锂离子电池的负极材料具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，特别是涉及一种负载铌酸钴氧化物的石墨烯复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

为了满足电动汽车、航空航天等领域的大倍率储能的新需求，研究出新型的高比容量、同时具有稳定的循环性能和低成本的锂离子电极材料有着战略性的意义。其中，负极材料对锂离子电池的比容量、循环性能以及安全性能等都有至关重要的影响。

锂离子电池中广泛应用的负极材料有人造石墨和天然改性石墨等碳类负极材料以及立方尖晶石结构的钛酸锂(LTO，Li₄Ti₅O₁₂)。但是，碳类负极材料在充放电过程中，存在可逆容量和倍率性能不佳、易形成锂枝晶等问题。而LTO材料虽然具有零应变、稳定的循环性能以及高热稳定性等优点，但因其材料本身为绝缘体，电子电导率和离子电导率较低，导致其倍率性能较差。与碳类负极材料和LTO材料相比，铌基氧化物在锂离子的插入和脱嵌过程中不会发生相变，将铌基氧化物作为负极材料具有充放电稳定、响应时间短等优点。但是，铌基氧化物仍然存在理论容量较低、导电性较差等问题，因此仍需进一步探索性能更好的锂离子电池负极材料。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种负载铌酸钴氧化物的石墨烯复合材料及其制备方法和应用；该复合材料通过石墨烯的表面限制，诱导生长具有独特的主干-分支结构、高结晶度的CoNb₂O₆材料，使该复合材料具有高容量、优异的循环稳定性和电化学性能，作为锂离子电池的负极材料具有良好的应用前景。

一种负载铌酸钴氧化物的石墨烯复合材料，所述复合材料包括石墨烯以及负载在所述石墨烯表面的CoNb₂O₆材料，其中，所述CoNb₂O₆材料包括至少一个主干以及自所述主干向外延伸的多个分支。

在其中一个实施例中，所述主干与任一所述分支的夹角均为58°-62°。

在其中一个实施例中，所述主干的长度为1μm-6μm，所述分支的长度为0.2μm-5μm。

本发明所述负载铌酸钴氧化物的石墨烯复合材料中，负载在石墨烯表面的CoNb₂O₆材料具有独特的主干-分支结构，一方面，CoNb₂O₆材料具有高结晶度，其交错的2D通道中存在大量可以储锂的位点，使其容量大、能量密度高；另一方面，CoNb₂O₆材料具有较大的比表面积，有利于CoNb₂O₆材料暴露出更多的活性位点，提高了负载铌酸钴氧化物的石墨烯复合材料的电化学性能。

同时，具有主干-分支结构的CoNb₂O₆材料与石墨烯层间构成互通的三维空间结构，并且石墨烯为CoNb₂O₆材料提供了结构支撑，使CoNb₂O₆材料在充放电过程中不易产生粉化、脱落等问题，进一步提升了负载铌酸钴氧化物的石墨烯复合材料的循环稳定性和电化学性能。

一种如上所述的负载铌酸钴氧化物的石墨烯复合材料的制备方法，包括如下步骤：