本发明涉及一种锂离子电池负极材料的技术领域，尤其涉及一种用于锂离子电池负极的球形钛酸锂-石墨烯复合材料的制备方法。
背景技术：
随着人类社会的飞速发展，不可再生能源的消耗日益加剧，能源危机迫使我们开发新的可再生清洁能源，以电池为主的储能器件己成为能源工作者的关注焦点。锂离子电池作为新一代的二次电池，具有以下优点：能量密度高、循环寿命长、快速充放电、环境友好性等。由于具有上述优点，锂离子电池己广泛应用于手机、笔记本电脑等便携式电子设备中，并逐渐向动力电池扩张，电动汽车、混合动力汽车和航空航天设备等将进一步推动锂离子电池的发展，而锂离子电池关键电极材料是电池性能的最终决定性因素。
与目前锂离子电池中主要采用的碳负极材料相比，钛酸锂(Li4Ti5O12)作为电极材料在脱嵌锂时体积变化非常小，能够保持高度的稳定性，被称为零应变材料，具有优良的循环性能和平稳的放电电压。其次，Li4Ti5O12负极材料具有较高的电极电位，能够在大多数液体电解质的稳定电压区间中使用，从而避免了电解液分解现象。Li4Ti5O12的电势比纯金属锂的电势高，不易产生锂枝晶，使得电池具有高的安全性能。Li4Ti5O12还具有原材料丰富、成本低廉、无污染、容易制备等优点，具有良好的应用前景。但是，钛酸锂在室温下离子传导率低，导电性能较差，导致材料的倍率性能低，限制了其在实际中的应用。为了增强钛酸锂的导电性，可以采用表面包覆、细化晶粒以及体相掺杂等方法对其进行改性。CN104852035A公开了一种氧化铝包覆的钛酸锂的制备方法，包括以下步骤：(1)将铝盐、钛酸锂、第一醇类溶剂和分散剂混合反应，真空干燥，得到铝盐包覆的钛酸锂前驱体。(2)将铝盐包覆的钛酸锂前驱体烧结冷却，得到制备的氧化铝包覆的钛酸锂。所制备的材料降低了钛酸锂的吸水性，并降低了Ti-O键对电解液的分解作用，使得其在过电位的情况下也不会与电解液反应，从而改善了钛酸锂电池的胀气问题。CN104953107A公开了一种高振实密度钛酸锂负极材料的制备方法，该方法按一定的比例称取锂源和钛源，以去离子水为介质，搅拌均匀后经喷雾干燥，再经过高温烧结、湿法球磨、二次喷雾干燥和二次高温烧结和筛分制得。该方法制备的钛酸锂颗粒为球形，具有结构结实，分散性好的特点。CN104733720A公开了一种改性钛酸锂负极材料的制备方法，包括以下工艺步骤：(1)钛酸锂的制备；(2)将钛酸锂、环氧树脂、纳米二氧化硅混合成均匀浆体；(3通过喷雾干燥得到钛酸锂粉体；(4)将上一步得到的粉体在惰性气体保护下，经过高温处理得到改性钛酸锂负极材料。但是上述现有技术普遍存在的缺点是：制备出的钛酸锂电极材料的电导率依然偏低，倍率性能不佳。因此，开发性能更加优异的钛酸锂电极材料成为人们关注的焦点。石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元，具有高的导电率、比表面积、结构弹性和化学稳定性的特点，受到科研人员的关注。
技术实现要素：
本发明针对现有技术存在的钛酸锂负极材料导电率低，以及用其制备出的锂离子电池倍率性能不佳的缺点，提出了一种易操作的可用于制备锂离子电池负极的钛酸锂-石墨烯复合材料的方法。该方法通过喷雾干燥制得球形的钛酸锂颗粒，并加入了石墨烯，形成钛酸锂-石墨烯复合结构。石墨烯片层作为高导电性的导电基底，使钛酸锂颗粒较好分散，进而使得钛酸锂电极材料的导电性得到提高。石墨烯还可以有效阻止活性材料在充放电过程中发生体积膨胀和颗粒的聚集。
本发明的技术方案如下：
一种用于锂离子电池负极的球形钛酸锂-石墨烯复合材料的制作方法，该方法包括如下步骤：
步骤一：将Li2CO3和TiO2加入到聚羧酸胺盐溶液中，得到混合浆料；
其中，质量比为Li2CO3与TiO2质量之和：聚羧酸胺盐溶液＝1：1.5～4；摩尔比Li：Ti＝0.8～0.87：1；所述的聚羧酸胺盐溶液的浓度为2～5wt％；
步骤二：将步骤一所得混合浆料进行4～8h的球磨；
其中，球磨中所用小球为3～6mm的氧化锆球，球磨机转速为400～1500r/min；
步骤三：将石墨烯掺入球磨后的浆料中，然后用电动搅拌机搅拌混合浆料，搅拌时间为1～6h，搅拌速度为50～400r/min；其中，石墨烯质量为步骤一中两种固体粉末质量之和的3～8％；
步骤四：将搅拌后的浆料进行喷雾干燥；过200～300目旋转筛得到粉末；
其中，喷雾干燥机输送泵的转速为30～50r/min，喷雾干燥机的入口温度为200～300℃，出口温度为80～150℃；
步骤五：将粉末在保护气氛下进行高温煅烧，烧制温度为500～900℃，时间为3～12h；待冷却至室温，得到球形钛酸锂-石墨烯复合材料。
所述的保护气氛为氩气或氮气。
上述用于锂离子电池负极的球形钛酸锂-石墨烯复合材料的制备方法，其中所涉及到的原材料均通过商购获得，所用的设备和工艺均是本技术领域的技术人员所熟知的。
与现有技术相比，本发明方法所具有突出的实质性特点如下：
1、本发明的球形钛酸锂-石墨烯复合材料，用作制备锂离子电池负极，能将钛酸锂的稳定性和石墨烯的导电性结合起来，可以明显提高锂离子电池的循环性能。
2、石墨烯具有优良的导电性能，本发明将石墨烯掺入钛酸锂中，更好地将钛酸锂互相连接起来，形成导电网络结构，使得该体系导电性能有很大的提高，由该复合材料作为负极所制备的电池的倍率性能得到改善。
3、本发明的钛酸锂为球形钛酸锂，与普通钛酸锂相比，缩短了锂离子在其中的扩散路径，使材料具有更高的电化学活性，提高了电池的放电比容量。
与现有技术相比，本发明方法所具有的显著进步如下：
1、本方法通过喷雾干燥制备出球形钛酸锂-石墨烯复合材料，得到的钛酸锂粒径较为均匀，直径在2-10μm之间，并且钛酸锂和石墨烯均匀分散，有利于锂离子的脱嵌，提高材料的循环性能。
2、本方法运用喷雾干燥的方法，在制备球形钛酸锂的过程中直接掺入石墨烯，得到分散性良好的钛酸锂-石墨烯复合材料，形成导电网络，克服了现有技术中钛酸锂导电性能不佳的缺点，提高了电池的倍率性能。
总之，本发明制备出的球形钛酸锂-石墨烯复合材料克服了现有技术中制得的钛酸锂材料导电性能不佳，制备工艺复杂和生产成本高的缺陷，利用该复合材料制备出的锂离子电池电化学性能和倍率性能有所提高，适合大规模的工业生产。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明实施例1所制得的球形钛酸锂-石墨烯复合材料的X射线衍射图。
图2为本发明实施例1所制得的球形钛酸锂-石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料时的循环性能曲线。
图3为本发明实施例1所制得的球形钛酸锂-石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料时的第二循环充放电曲线。
图4为本发明实施例1所制得的球形钛酸锂-石墨烯复合材料的扫描电镜图像。
图5为本发明实施例1所制得的球形钛酸锂-石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料时在不同倍率下的循环容量图。
具体实施方式
本发明涉及的Li2CO3为粗糙Li2CO3，Dm＝4.5μm，纯度>99.5％；TiO2为锐钛矿相型，Dm＝230nm,纯度>99.0％；石墨烯为市售氧化还原石墨烯。
实施例1
第一步，制备球形钛酸锂-石墨烯复合材料：
按照摩尔比Li/Ti＝0.81称取12.264gLi2CO3和32.736g锐钛矿相TiO2；将这两种粉末加入90g含有2wt％聚羧酸胺盐溶液中，形成混合浆料。对该混合浆料进行6h的球磨，所用小球为4mm的氧化锆球，球磨机转速为400r/min。称取1.875g石墨烯，掺入球磨后的浆料中，用电动搅拌机搅拌，搅拌时间为4h，搅拌速度为200r/min。将搅拌后的浆料进行喷雾干燥，喷雾干燥机输送泵的转速为35r/min，喷雾干燥机的入口温度为240℃，出口温度为110℃，然后过200目旋转筛，得到所需粉末。
将粉末在氩气气氛下进行高温煅烧，以5℃/min升温至800℃，保温12h。待冷却至室温，得到球形钛酸锂-石墨烯复合材料。
第二步，电池负极片的制备与电池的组装：
将制得的球形钛酸锂-石墨烯复合材料与导电剂和粘结剂按照质量比为8∶1∶1的比例置于研钵中，研磨混合成浆料，将浆料均匀刮涂在铜箔上，55℃下干燥24h，使用压片机在5MPa压力下压成薄片，得到负极片。将所得球形钛酸锂-石墨烯复合材料负极片、金属锂片、电池壳、隔膜、垫片以及弹簧片置于充满氩气的手套箱中进行电池组装，得到扣式CR2025半电池。
图1为本实施例所制得的钛酸锂-石墨烯复合材料的X射线衍射图。如图所示，该复合材料得到晶型良好的钛酸锂，石墨烯分散均匀，呈无定形态。
图2为本实施例所制得的钛酸锂-石墨烯作为锂离子电池负极材料时的循环性能曲线。从图中可以看出，该材料的可逆容量保持在160mAh/g左右，且循环性能非常稳定。
图3为本实施例所制得的钛酸锂-石墨烯作为锂离子电池负极材料时的第二循环充放电曲线。从图中可以看出，在倍率为0.1C时，该电池在1.55V左右有较稳定的放电平台，第二循环放电容量为160mAh/g。
图4为本实施例所制得的钛酸锂-石墨烯的扫描电镜图。从图中可以看出，经过喷雾干燥，该材料中的钛酸锂为球形颗粒，球形钛酸锂的直径在2-10μm，石墨烯均匀分散在钛酸锂之间。
图5为本实施例所制得的钛酸锂-石墨烯作为锂离子电池负极材料时在不同倍率下的循环容量图。如图所示，在10C的高倍率下，该材料的放电容量仍可达105mAh/g，表明该复合材料具有良好的倍率性能。
实施例2
第一步，制备球形钛酸锂-石墨烯复合材料：
球形钛酸锂-石墨烯复合材料粉末的制得同实施例1，不同之处为将粉末在氩气气氛下高温煅烧的温度为700℃，保温12h。
第二步，电池负极片的制备与电池的组装：同实施例1。
所得材料的表征结果和电化学性能数据与实施例1近似。
实施例3
第一步，制备球形钛酸锂-石墨烯复合材料：
球形钛酸锂-石墨烯复合材料粉末的制得同实施例1，不同之处为将粉末在氩气气氛下高温煅烧的温度为900℃，保温12h。
第二步，电池负极片的制备与电池的组装：同实施例1。
所得材料的表征结果和电化学性能数据与实施例1近似。
实施例4
第一步，制备球形钛酸锂-石墨烯复合材料：
按照摩尔比Li/Ti＝0.85称取12.700gLi2CO3和32.300g锐钛矿相TiO2；将这两种粉末加入90g含有2wt％聚羧酸胺盐溶液中，形成混合浆料。对该混合浆料进行6h的球磨，所用小球为4mm的氧化锆球，球磨机转速为400r/min。称取2.368g石墨烯，掺入球磨后的浆料中，其余同实施例1。
第二步，电池负极片的制备与电池的组装：同实施例1。
所得材料的表征结果和电化学性能数据与实施例1近似。
本发明未尽事宜为公知技术。