一种三步法制备石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料的方法
【专利摘要】本发明为一种三步法制备石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料的方法，包括以下步骤：将乳酸锂、二氧化钛和石墨烯浸没于无水乙醇中配制成浆料，放于球磨罐中球磨6?8h，然后在60?90℃下干燥12?30h，再置于管式炉中惰性气氛下分段恒温固相烧结：首先在250?350℃下保温1?2h,然后在500?700℃下保温1?5h，最后在800?900℃下保温6?20h，得到石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料。本发明中的碳包覆方法克服了当前技术中专门引入其他碳源产生的成本高、相不纯等不足，并且引入石墨烯掺杂，利用石墨烯优良的电化学性能对钛酸锂材料进行改性，因而利用该复合材料可以提高锂离子电池电化学性能和倍率性能。
【专利说明】
一种三步法制备石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料的方法
技术领域
[0001]本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池用的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料的制备方法。
技术背景
[0002]目前随着全球性石油紧缺与气候环境的不断恶化，人类社会发展面临着严峻的挑战。作为新能源走进生产生活的重要环节，从小型电子装置所需的微电池到大的电动车动力电源，锂离子电池作为一种新型储能器件，当前国内外很多科研机构和企业在争相研究。锂离子电池以其工作电压高，能量密度大，循环寿命长，充电效率高，对环境适应能力强等优点正得到越来越广泛的应用。随之而来的，对锂离子电池的要求也在不断提高，传统锂离子电池已不能满足人类的需求，因此高比能、高安全性、高使用寿命及低成本的下一代锂离子电池成为人们研究的热点，对现有锂离子电池的改进也势在必行。
[0003]尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12)理论比容量为175mAh/g，电压平台为1.5V左右。钛酸锂负极材料具有原材料资源丰富、成本低廉、安全性能好、无污染、制备容易等优点，作为锂电池负极材料具有良好的应用前景。但钛酸锂的导电率和离子传导率低，使其在大电流充放电过程中比容量下降的较快，因此，钛酸锂作为锂电池的负极材料，锂电池的倍率特性和循环性能较差，这两点不足严重制约了钛酸锂的商业化应用。
[0004]提高钛酸锂倍率性能和循环性能的方法有将钛酸锂与碳材料、金属或纳米材料等材料相复合。在碳材料中，石墨烯因为其优异的性能而在科学界引起了广泛的关注。石墨烯是一种二维单分子层材料，具有较高的导电率，常温下其电子迀移率超过15000cm2/V.S。此外，石墨烯具有比表面积大(理论比表面积为2630m2/g)、电子导电性较高、机械强度高、化学性能稳定的优点，是理想的电极材料。近年来人们将石墨烯引入到锂离子电池材料中，以解决锂离子迀移慢，电极的电子传导性差、大倍率充放电下电极与电解液间的电阻率增大等问题。在钛酸锂中掺入一定量的石墨烯，形成导电网络，该导电网络非常有利于提高钛酸锂作为锂离子电池负极材料时的倍率性能和循环性能。
[0005]目前，大多数制备钛酸锂-石墨烯复合材料所采用的原料种类过多，在反应中难以生成钛酸锂纯相，不适于大规模商业化生产。例如，CN 104600278 A(公开号)公开了一种石墨烯/钛酸锂复合材料的制备方法。即以钛酸四丁酯、石墨烯、P123、叔丁醇配成钛源分散液，以二水醋酸锂、去离子水和叔丁醇配成锂源溶液，将混合的钛源分散液转移至微波反应器中并加热至回流，加入锂源溶液，反应一定时间，冷却，去除溶剂，然后干燥得到石墨烯基钛酸锂前驱体，得到的石墨烯基钛酸锂前驱体放置管式炉中，在惰性气体保护下一定温度煅烧一定时间得到石墨烯/钛酸锂复合材料。该制备方法工艺复杂，原材料不易混合均匀，生产成本高。
[0006]此外，目前制备碳包覆钛酸锂复合材料的研究基本都采用添加额外碳源的方法，外加碳源的加入，增加了生产成本，并且制备工艺复杂，不利于商业化应用。
【发明内容】
[0007]本发明针对钛酸锂作为负极材料，锂电池的倍率性能和循环性能差的问题，利用石墨烯和碳包覆对其进行改性，并且针对外加碳源及其制备工艺复杂、成本高的问题，提供了一种无外加碳源、低成本，三步法制备石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料的制备方法。该方法通过采用乳酸锂充当碳源与锂源，在三个不同反应温度段上充分与二氧化钛发生反应，碳包覆过程伴随乳酸锂和二氧化钛材料反应生成钛酸锂的过程，使得碳可以均匀的包覆于钛酸锂表面。本发明中的碳包覆方法克服了当前技术中专门引入其他碳源产生的成本高、相不纯等不足。本发明利用石墨烯对钛酸锂材料进行改性，较现有技术具有先进性，所取得的电化学性能也具有显著性提高。
[0008]本发明的技术方案为:
[0009]—种三步法制备石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料的方法，包括以下步骤:
[0010](I)将乳酸锂、二氧化钛和石墨烯浸没于无水乙醇中配制成浆料，放于球磨罐中球磨6-8h，得到楽体;质量比为乳酸锂:二氧化钛:石墨稀= 1:1-2:0.1-0.3;
[0011 ] (2)将上步得到的浆体在60-90 °C下干燥12-30h，得到干燥的混合物；
[0012](3)将干燥后的混合物于管式炉中惰性气氛下分段恒温固相烧结:首先在250-3500C下保温l_2h，然后在500-700 °C下保温l_5h，最后在800-900 °C下保温6_20h，完成烧结后在惰性气氛下冷却至室温取出，得到石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料。
[0013]所述的惰性气体为氩气或氮气。
[0014]上述石墨稀掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料制备方法，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。
[0015]本发明的实质性特点为:本发明中，碳包覆层的引入可有效抑制热处理过程中钛酸锂颗粒的聚集，提高钛酸锂材料中锂离子的扩散系数。另外又创新性的引入石墨烯掺杂，利用石墨烯优良的电化学性能对钛酸锂材料进行改性。本发明中采用三步法制备石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料，以二氧化钛为钛源，乳酸锂为锂源和碳源与石墨烯球磨后于管式炉中在惰性气氛下分段恒温烧结得到此复合材料。碳包覆过程中无需额外加入碳源，无杂质生成，保证复合材料的纯度，易于在工业上的应用。
[0016]本发明的有益效果为:
[0017](I)本发明通过将钛酸锂的前驱体，即锂源和钛源与石墨烯进行球磨混合后进行分段恒温固相烧结，这种方法使石墨烯在钛酸锂中分散得更均匀，附着力更强，因而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，并能够充分发挥钛酸锂储能电位平台高的优点和石墨烯电导率高的优点。本发明所制备的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料在电流密度为IC下的首周放电容量达173mAh/g。
[0018](2)本发明所采用得分段恒温固相烧结法，依据反应物的分解过程设定反应温度与时间，使得其在不同的阶段均能反应充分，从而得到均一稳定的产物。即以乳酸锂为碳源与锂源，在不同的温度中充分与二氧化钛发生反应，使得碳可以均匀的包覆于钛酸锂表面，有效防止碳颗粒的团聚，并且无外加碳源的引入，杂质较少，从而保证所得复合材料的纯度。由XRD图谱分析可知，没有其他杂峰存在，说明本发明所制得的复合材料纯度较高，比现有技术具有显著进步。
[0019](3)本发明设计过程中，采用三步分段固相烧结法，工艺简单，价格低廉，性质稳定，易于反应，可进行规模化商业生产。
【附图说明】
[0020]图1为实施例1所制得的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料的X射线衍射(XRD)图。
[0021]图2为实施例1所制得的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料作为锂离子电池负极材料时在IC下的充放电曲线图。
[0022]图3为实施例1所制得的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂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】
[0023]实施例1
[0024](I)将5g乳酸锂、5.4g 二氧化钛和Ig石墨烯浸没于无水乙醇中配制成浆料(其中，由于无水乙醇在此起浸润和分散作用，因此其加入量为能够浸没粉末即可。以下实施例同)，放于球磨罐中球磨6h;
[0025](2)将(I)中得到的浆体于干燥箱中在90°C下干燥24h，得到干燥的混合物；
[0026](3)将干燥后的混合物于管式炉中氩气气氛下分段恒温固相烧结，首先在300°C下保温Ih,然后在600 °C下保温2h，最后在800 °C下保温8h，完成烧结后在氩气气氛下冷却至室温取出，即得到石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料。
[0027](4)将本实施例所制得的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料与导电剂Super P和粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比8:1:1的比例充分研磨混合配成浆料，并均匀涂敷于铜箔集流体上，于60°C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。对所制备的样品进行电化学性能分析(BTS-5V5mA，新威)。
[0028]图1为本实施例所制得的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料的X射线衍射图，由图可知，石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料的X射线衍射图谱与标准的钛酸锂衍射图谱一致，没有杂峰出现，说明所制备的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料的纯度较高。
[0029]图2为本实施例所制得的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料作为锂离子电池负极时在IC下的充放电曲线图。从图中可以看出，在倍率为IC时，该电池在1.55V左右有较稳定的放电平台，首次放电容量为173mAh/g。
[0030]图3为本实施例所制得的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料作为锂离子电池负极时在不同倍率下的循环容量图。如图所示，在1C的高倍率下，该材料的放电容量仍可达115mAh/g，表明该复合材料具有良好的倍率性能。
[0031]实施例2
[0032](I)将5g乳酸锂、6g 二氧化钛和1.1g石墨烯浸没于无水乙醇中配制成浆料，放于球磨罐中球磨8h;
[0033](2)将(I)中得到的浆体于干燥箱中在60°C下干燥30h，得到干燥的混合物；
[0034](3)将干燥后的混合物于管式炉中氩气气氛下分段恒温固相烧结，首先在350°C下保温2h，然后在700 °C下保温3h，最后在900 0C下保温20h，完成烧结后在氩气气氛下冷却至室温取出，即得到石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料。
[0035](4)将本实施例所制得的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料与导电剂Super P和粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比8:1:1的比例充分研磨混合配成浆料，并均匀涂敷于铜箔集流体上，于60°C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。对所制备的样品进行电化学性能分析(BTS-5V5mA，新威)。
[0036]由实施例2得到的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料作为锂离子电池负极时在电流密度为IC下的首周放电容量为168mAh/g，在1C的倍率下，该材料的放电容量可达112mAh/g。实施例 3
[0037](I)将5g乳酸锂、5.5g 二氧化钛和0.5g石墨烯浸没于无水乙醇中配制成浆料，放于球磨罐中球磨7h;
[0038](2)将(I)中得到的浆体于干燥箱中在90°C下干燥30h，得到干燥的混合物；
[0039](3)将干燥后的混合物于管式炉中氩气气氛下分段恒温固相烧结，首先在200°C下保温2h，然后在500°C下保温5h，最后在900°C下保温10h，完成烧结后在氩气气氛下冷却至室温取出，即得到石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料。
[0040](4)将本实施例所制得的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料与导电剂Super P和粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比8:1:1的比例充分研磨混合配成浆料，并均匀涂敷于铜箔集流体上，于60°C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。对所制备的样品进行电化学性能分析(BTS-5V5mA，新威)。
[0041]由实施例3得到的石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合材料作为锂离子电池负极时在电流密度为IC下的首周放电容量为165mAh/g，在1C的倍率下，该材料的放电容量可达108mAh/go
[0042]本发明未尽事宜为公知技术。
【主权项】
1.一种三步法制备石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料的方法，其特征为包括以下步骤: (1)将乳酸锂、二氧化钛和石墨烯浸没于无水乙醇中配制成浆料，放于球磨罐中球磨6-Sh，得到浆体;质量比为乳酸锂:二氧化钛:石墨烯=1:1-2:0.1-0.3; (2)将上步得到的浆体在60-900C下干燥12-30h，得到干燥的混合物； (3)将干燥后的混合物于管式炉中惰性气氛下分段恒温固相烧结:首先在250-350°C下保温l-2h，然后在500-700°C下保温l_5h，最后在800-900°C下保温6-20h，完成烧结后在惰性气氛下冷却至室温取出，得到石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料。2.如权利要求1所述的三步法制备石墨烯掺杂/碳包覆钛酸锂复合负极材料的方法，其特征为所述的惰性气氛为氩气或氮气。
【文档编号】H01M4/62GK105826547SQ201610319118
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年5月15日
【发明人】张永光, 王卓, 李海鹏
【申请人】河北工业大学