专利名称：钛酸锂和石墨烯纳米复合电极材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及锂离子动力电池负极的电极材料，尤其是钛酸锂和石墨烯纳米复合的电极材料及其制备方法。
背景技术：
随着人类生产生活和科学技术的发展，除了主要通过燃烧加以利用的一次能源夕卜，以化学能转换为电能的能源利用方式也变得越发举足轻重。锂离子电池做为众多将化学能转换为电能的手段之一，从上个世纪九十年代商业化以来，在全球范围内的应用越来越广泛，锂离子电池作为电子器件提供动力能源的配套产品，目前主要用于手机、手提电脑、台式电话子母机、摄像机、军警移动通讯工具和设备以及各类数码消费产品等，预计未来几年中将在电动自行车以及电动汽车等领域中广泛运用，我国科技部发布的《电动汽车科技发展“十二五”专项规划(摘要)》等明确指出电动汽车是我国新能源汽车技术的发展方向和重中之重，而电池能源系统是新能源汽车的最关键部分，占据整车成本的409Γ50%，是其最核心、利润最丰厚的环节，锂离子动力电池作为新能源、新材料和新能源汽车三大产业中的重点交叉产业，更是新能源汽车的心脏，将会是新能源汽车产业化发展的最大受益者，其性能和成本直接决定了新能源汽车产业的发展。近年来的研究证明，在锂离子电池领域石墨烯有着令人惊叹的电化学性能，大量的石墨烯电极表面同电解液直接接触，能够通过表面吸附或表面氧化还原反应快速、可逆的捕获锂离子，从而获得锂离子的快速扩散，锂离子可在石墨烯层片的表面间进行移动和交换，不需要锂离子像在传统电极材料中那样嵌入和脱出，比能量可达160 ffh/kg,同传统锂离子相当，比功率则可达到100 kW/kg，是传统锂离子电池的近百倍，通过对石墨烯的改性、掺杂，可以改变石墨烯表面形貌，溶入异质原子，增加电极和电解液之间的浸润，增大热稳定性，获得优异的电化学性能，此外，室温下锂离子在石墨烯中的扩散系数可提高两个数量级，有助于获得高倍率性能的锂离子电池，目前，以石墨烯为基体的锂离子动力电池负极的复合电极材料仍处在研究实验阶段，实现工业化的批量生产需要解决成本、工艺、稳定性等诸多问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有锂离子动力电池负极电极材料的不足，提供一种具有大比容量、高稳定性和高倍率性能的钛酸锂和石墨烯纳米复合的电极材料及其制备方法。本发明的技术方案:电极材料为钛酸锂和石墨烯的水热反应生成的复合材料，锂离子和石墨烯的摩尔比为1:1 4:1，钛酸锂中锂离子和去离子水的摩尔比为1:1 5:1。钛酸锂和石墨烯纳米复合电极材料的制备方法按以下步骤:
1、超声振荡后恒温活化，将锂盐和去离子水按锂和水的摩尔比1:1 5:1，锂盐和石墨烯按锂和石墨烯的摩尔比1:1 4:1混合，并加入适量醇和表面活性剂，另取同锂盐等摩尔的钛酸丁酯充分溶解在适量醇中，然后加入到前述锂盐、石墨烯、去离子水和醇的混合物中进行30分钟高速搅拌；
2、将高速搅拌后的混合物进行高能超声振荡40分钟 I小时，然后转移至50 80°C的恒温箱中进行恒温活化I 5小时；
3、水热反应，将进行了超声振荡和恒温活化的混合物放入反应釜中，在100°C 150° C下静置5 24小时进行反应；
4、对水热反应的产物进行反复抽滤、清洗，并在干燥箱中烘干产物，研磨收集后得到处理好的钛酸锂和石墨烯纳米复合电极材料。本发明的有益效果是:采用工业上广泛使用的水热反应来进行钛酸锂和石墨烯材料的复合，得到钛酸锂和石墨烯纳米复合电极材料，操作简单，设备要求不高，适用范围广。可应用在需要大比容量、高稳定性、高倍率性能的锂离子动力电池上。
具体实施方式
:
下面结合实施例对本发明作进一步说明。实施例1:
将醋酸锂和去离子水按锂和水的摩尔比1:1，醋酸锂和石墨烯按锂和石墨烯的摩尔比
I:1混合，并加入适量乙醇和表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵；另取同锂盐等摩尔的钛酸丁酯充分溶解在适量乙醇中，然后加入到前述醋酸锂、石墨烯、去离子水和乙醇的混合物中进行30分钟高速搅拌。将高速搅拌后的混合物进行高能超声振荡I小时，然后转移至50° C的恒温箱中进行恒温活化I小时。将进行了超声振荡和恒温活化的混合物放入反应釜中，在100° C下静置5小时进行反应；反应完毕，对产物进行反复抽滤、清洗，并在干燥箱中烘干产物，研磨收集后得到处理好的钛酸锂/石墨烯纳米复合电极材料，以制备得到的钛酸锂/石墨烯纳米复合电极材料为工作电极，纯锂为对电极，EC/DMC 1:1 (ff/ff) LiPF6(lmol/1)为电解液，组成扣式电池测试系统进行电化学性能测试。恒流充放电倍率为1C、2C、5C、20C 和 50C 时，比容量分别达到 186 mAh/g、169 mAh/g、155 mAh/g、142 mAh/g 和 113mAh/g ；电极在500个循环后库伦效率保持在96%。实施例2:
将醋酸锂和去离子水按锂和水的摩尔比2:1，醋酸锂和石墨烯按锂和石墨烯的摩尔比5:1混合，并加入适量异丙醇和表面活性剂十二烷基硫酸钠；另取同锂盐等摩尔的钛酸丁酯充分溶解在适量异丙醇中，然后加入到前述醋酸锂、石墨烯、去离子水和乙醇的混合物中进行30分钟高速搅拌。将高速搅拌后的混合物进行高能超声振荡I小时，然后转移至80° C的恒温箱中进行恒温活化3小时。将进行了超声振荡和恒温活化的混合物放入反应釜中，在120° C下静置20小时进行反应；反应完毕，对产物进行反复抽滤、清洗，并在干燥箱中烘干产物，研磨收集后得到处理好的钛酸锂/石墨烯纳米复合电极材料，以制备得到的钛酸锂/石墨烯纳米复合电极材料为工作电极，纯锂为对电极，EC/DMC 1:1 (ff/ff) LiPF6(lmol/1)为电解液，组成扣式电池测试系统进行电化学性能测试。恒流充放电倍率为1C、2C、5C、20C 和 50C 时，比容量分别达到 165 mAh/g、151 mAh/g、132 mAh/gU10 mAh/g 和 93mAh/g ；电极在500个循环后库伦效率保持在95%。实施例3:
将氢氧化锂和去离子水按锂和水的摩尔比5:1，氢氧化锂和石墨烯按锂和石墨烯的摩尔比3:1混合，并加入适量异丁醇和表面活性剂十二烷基硫酸钠；另取同锂盐等摩尔的钛酸丁酯充分溶解在适量异丁醇中，然后加入到前述氢氧化锂、石墨烯、去离子水和乙醇的混合物中进行30分钟高速搅拌。将高速搅拌后的混合物进行高能超声振荡I小时,然后转移至60° C的恒温箱中进行恒温活化5小时。将进行了超声振荡和恒温活化的混合物放入反应釜中，在150° C下静置24小时进行反应；反应完毕，对产物进行反复抽滤、清洗，并在干燥箱中烘干产物，研磨收集后得到处理好的钛酸锂/石墨烯纳米复合电极材料，以制备得到的钛酸锂/石墨烯纳米复合电极材料为工作电极，纯锂为对电极，EC/DMC 1:1 (W/W)LiPF6 (lmol/1)为电解液，组成扣式电池测试系统进行电化学性能测试。恒流充放电倍率为 1C、2C、5C、20C 和 50C 时，比容量分别达至Ij 170 mAh/g、156 mAh/g、141 mAh/g、129 mAh/g和108 mAh/g ；电极在500个循环后库伦效率保持在97%。实施例4:
将醋酸锂和去离子水按锂和水的摩尔比4:1，醋酸锂和石墨烯按锂和石墨烯的摩尔比
2:1混合，并加入适量乙醇和表面活性剂聚乙二醇；另取同锂盐等摩尔的钛酸丁酯充分溶解在适量乙醇中，然后加入到前述醋酸锂、石墨烯、去离子水和乙醇的混合物中进行30分钟高速搅拌。将高速搅拌后的混合物进行高能超声振荡I小时，然后转移至70° C的恒温箱中进行恒温活化2小时。将进行了超声振荡和恒温活化的混合物放入反应釜中，在110° C下静置12小时进行反应；反应完毕，对产物进行反复抽滤、清洗，并在干燥箱中烘干产物，研磨收集后得到处理好的钛酸锂/石墨烯纳米复合电极材料，以制备得到的钛酸锂/石墨烯纳米复合电极材料为工作电极，纯锂为对电极，EC/DMC 1:1 (ff/ff) LiPF6 (lmol/1)为电解液，组成扣式电池测试系统进行电化学性能测试。恒流充放电倍率为1C、2C、5C、20C和50C时，比容量分别达到 178mAh/g、165 mAh/g、146 mAh/g、128 mAh/g 和 113 mAh/g;电极在 500个循环后库伦效率保持在97%。实施例5:
将氢氧化锂和去离子水按锂和水的摩尔比4:1，氢氧化锂和石墨烯按锂和石墨烯的摩尔比5:1混合，并加入适量异丙醇和表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵；另取同锂盐等摩尔的钛酸丁酯充分溶解在适量异丙醇中，然后加入到前述氢氧化锂、石墨烯、去离子水和乙醇的混合物中进行30分钟高速搅拌。将高速搅拌后的混合物进行高能超声振荡I小时，然后转移至80° C的恒温箱中进行恒温活化5小时。将进行了超声振荡和恒温活化的混合物放入反应釜中，在150° C下静置8小时进行反应；反应完毕，对产物进行反复抽滤、清洗，并在干燥箱中烘干产物，研磨收集后得到处理好的钛酸锂/石墨烯纳米复合电极材料，以制备得到的钛酸锂/石墨烯纳米复合电极材料为工作电极，纯锂为对电极，EC/DMC 1:1 (ff/W) LiPF6 (lmol/1)为电解液，组成扣式电池测试系统进行电化学性能测试。恒流充放电倍率为 1C、2C、5C、20C 和 50C 时，比容量分别达到 171 mAh/g、158 mAh/g、127 mAh/g、114 mAh/g和101 mAh/g ；电极在500个循环后库伦效率保持在98%。
权利要求
1.钛酸锂和石墨烯纳米复合电极材料，其特征在于电极材料为钛酸锂和石墨烯的水热反应生成的复合材料，锂离子和石墨烯的摩尔比为1:1 4:1，钛酸锂中锂离子和去离子水的摩尔比为1:1 5:1。
2.根据权利要求1所述的钛酸锂和石墨烯纳米复合电极材料，其特征在于制备方法按以下步骤: A、超声振荡后恒温活化，将锂盐和去离子水按锂和水的摩尔比1:1 5:1，锂盐和石墨烯按锂和石墨烯的摩尔比1:1 4:1混合，并加入适量醇和表面活性剂，另取同锂盐等摩尔的钛酸丁酯充分溶解在适量醇中，然后加入到前述锂盐、石墨烯、去离子水和醇的混合物中进行30分钟高速搅拌； B、将高速搅拌后的混合物进行高能超声振荡40分钟 I小时，然后转移至50 80°C的恒温箱中进行恒温活化I 5小时； C、水热反应，将进行了超声振荡和恒温活化的混合物放入反应釜中，在100°C 150° C下静置5 24小时进行反应； D、对水热反应的产物进行反复抽滤、清洗，并在干燥箱中烘干产物，研磨收集后得到处理好的钛酸锂和石墨烯纳米复合电极材料。
全文摘要
一种钛酸锂和石墨烯纳米复合电极材料及其制备方法，电极材料为钛酸锂和石墨烯的水热反应生成的复合材料，锂离子和石墨烯的摩尔比为11～41，钛酸锂中锂离子和去离子水的摩尔比为11～51，采用工业上广泛使用的水热反应来进行钛酸锂和石墨烯材料的复合，得到钛酸锂和石墨烯纳米复合电极材料，操作简单，设备要求不高，适用范围广。可应用在需要大比容量、高稳定性、高倍率性能的锂离子动力电池上。
文档编号H01M4/485GK103151509SQ20131008445
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月18日 优先权日2013年3月18日
发明者黎阳, 谢华清 申请人:江苏悦达墨特瑞新材料科技有限公司, 上海悦达墨特瑞新材料科技有限公司