一种纳米复合材料及其制备方法和锂离子电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米材料领域，尤其涉及一种纳米复合材料及其制备方法和使用该纳米复合材料制得的锂离子电池。
【背景技术】
[0002]随着科技水平的不断进步，储能设备正朝着高性能、小型化的方向发展。锂离子电池不仅具有自放电率小、循环寿命长、无记忆效应、工作电压高等优点，而且具有优良的高低温放电性能、绿色环保，因此锂离子电池是目前最受人们广泛认可的储能设备。
[0003]在现有技术中，锂离子电池的负极材料主要采用碳材料、锡基材料、硅基材料、钛基材料、氮化物和过渡金属氧化物等材料，但这些材料均存在一些难以克服的缺点，例如:①一些材料在形成SEI膜的过程中，容易形成锂枝晶，从而造成短路；②一些材料在锂的脱嵌过程中，会引起较大的体积膨胀，从而造成材料结构的崩塌，进而导致材料的循环稳定性下降；③还有一些Ti基负极材料虽然原料丰富、无毒无害、便宜稳定、安全性好，但比容量不高、电子导电率低，表面无法形成有效的电场。鉴于以上几点，人们开始制备量子点、合金等材料来减小体积膨胀，提高循环稳定性，但是尺寸小且活性高的纳米材料容易聚集，在锂插入合金后，机械稳定性差，容易使材料粉化。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种纳米复合材料及其制备方法和使用该纳米复合材料制得的锂离子电池；该纳米复合材料不仅具有优良的循环稳定性和高倍率放电性能，而且材料无毒、环境友好、价格便宜；而该纳米复合材料的制备方法操作简单，绿色高效。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]一种纳米复合材料，由上部的聚苯胺纳米层、中间的T12/氧化石墨烯复合层、下部的聚苯胺纳米层构成；
[0007]其中，所述的聚苯胺纳米层为纳米棒状聚苯胺阵列；所述的T12/氧化石墨烯复合层为1102纳米颗粒分布在多层氧化石墨烯的网状结构中所形成的复合层。
[0008]优选地，所述的多层氧化石墨烯为2?9层的氧化石墨烯。
[0009]优选地，所述的T12/氧化石墨烯复合层为T12纳米颗粒均匀分布在多层氧化石墨烯的网状结构中所形成的复合层。
[0010]优选地，上部的聚苯胺纳米层和下部的聚苯胺纳米层的厚度均为40?60nm。
[0011]一种纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0012]步骤一，采用Hummers法制备出氧化石墨和盐酸的混合溶液，并在氧化石墨和盐酸的混合溶液中，采用旋转打02靶材进行液相激光熔蚀，从而制得非晶T12原位生长的高活性T12/氧化石墨烯复合材料；
[0013]步骤二，对步骤一中制得的高活性T12/氧化石墨烯复合材料进行冰浴搅拌，在搅拌半小时后加入苯胺单体，并在搅拌均匀后加入过硫酸铵进行氧化聚合，从而得到聚苯胺/T12/氧化石墨烯三元纳米复合材料。
[0014]优选地，在步骤一结束后迅速进行步骤二的处理。
[0015]优选地，在步骤二中，当加入苯胺单体后，需搅拌半个小时以达到搅拌均匀，再加入过硫酸铵进行氧化聚合。
[0016]一种锂离子电池，该锂离子电池的负极采用上述方案中所述的纳米复合材料制成。
[0017]由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例所提供的纳米复合材料是一个“三明治结构”，在该“三明治结构”中，氧化石墨烯能够防止高活性纳米粒子的聚集，而外层的纳米棒状聚苯胺阵列为离子及电子的传输提供了便捷的通道，并且在一定程度上阻止了内层活性材料因体积膨胀而引起的结构崩塌，充分发挥了内层Ti02/G0复合材料的储锂性能，因此本发明实施例所提供的纳米复合材料呈现出了优良的循环稳定性和高倍率放电性能。而本发明实施例所提供的纳米复合材料的制备方法利用液相激光熔蚀下氧化石墨烯表面原位生长的纳米颗粒具有较多氧空位和缺陷，并且具有高表面反应活性，特殊的物理化学性质等特点，从而使苯胺单体能够在Ti02/G0复合材料的上下两面以纳米棒状阵列的形式聚合生长，并最终制得本发明实施例所提供的PANI/Ti02/G0三元纳米复合材料。由此可见，本发明实施例所提供的纳米复合材料不仅具有优良的循环稳定性和高倍率放电性能，而且材料无毒、环境友好、价格便宜；而该纳米复合材料的制备方法操作简单，绿色高效。
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动行的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0019]图1a为本发明实施例所提供的纳米复合材料的结构示意图。
[0020]图1b为本发明实施例所提供的纳米复合材料作为锂离子电池负极时的原理示意图。
[0021]图2a为本发明提供的现有技术中聚苯胺的SEM(即扫描电子显微镜)分析图。
[0022]图2b为本发明实施例所提供的纳米复合材料的SM分析图一。
[0023]图2c为本发明实施例所提供的纳米复合材料的SM分析图二。
[0024]图3为本发明实施例所提供的纳米复合材料，Ti02/G0和1102的拉曼光谱图。
[0025]图4a为本发明实施例所提供的Ti02/G0的TEM(即透射电子显微镜)分析图一。
[0026]图4b为本发明实施例所提供的Ti02/G0的TEM分析图二。
[0027]图4c为本发明实施例所提供的纳米复合材料的TEM、HRTEM(即高分辨透射电镜)以及SEAD (即选区电子衍射)的分析图。
[0028]图5a为本发明实施例所提供的锂离子电池的性能示意图一。
[0029]图5b为本发明实施例所提供的锂离子电池的性能示意图二。
[0030]图5c为本发明实施例所提供的锂离子电池的性能示意图三。
【具体实施方式】
[0031]下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0032]下面分别对本发明所提供的纳米复合材料及其制备方法和使用该纳米复合材料制得的锂离子电池进行详细描述。
[0033](一 ) 一种纳米复合材料
[0034]一种纳米复合材料，由上部的聚苯胺(即PANI)纳米层、中间的T12/氧化石墨烯(即Graphene oxide, GO)复合层、下部的聚苯胺纳米层构成。
[0035]其中，所述的聚苯胺纳米层为纳米棒状聚苯胺阵列；所述的T12/氧化石墨烯复合层为打02纳米颗粒分布在多层氧化石墨烯的网状结构中所形成的复合层。如图1a和图1b所示，该纳米复合材料是由T12/氧化石墨烯复合层以及该T12/氧化石墨烯复合层的上、下表面生长的纳米棒状聚苯胺阵列所构成，即通常所说的“三明治结构”；上部的聚苯胺纳米层I和下部的聚苯胺纳米层构成3均是由纳米棒状聚苯胺a所构成的阵列；在T12/氧化石墨烯复合层2上，1102纳米颗粒c分布在多层氧化石墨烯b的网状结构中。
[0036]具体的，该纳米复合材料的各层的具体实施方案包括:
[0037](I)所述的多层氧化石墨烯最好为2?9层的氧化石墨烯；如果氧化石墨烯的层数大于9层，则丧失了氧化石墨烯结构原本的柔韧性，且不利于大量Li+的嵌入和电子的快速传输；如果氧化石墨烯的层数小于2层，则制备过程中的酸环境会使得氧化石墨烯容易分解和破损，不能形成“三明治结构”。
[0038](2)所述的T12/氧化石墨烯复合层最好为T12纳米颗粒均匀分布在多层氧化石墨烯的网状结构中所形成的复合层J12纳米颗粒均匀分布在多层氧化石墨烯的网状结构中的好处是最大限度的增加了 T12纳米颗粒与电解液的接触面积，能够防止1102纳米颗粒聚集带来的储锂容量的损失。
[0039](3)上部的聚苯胺纳米层和下部的聚苯胺纳米层的厚度均为40?60nm，最好均在50nm左右，这一厚度的好处是为离子及电子的传输提供了便捷的通道，不仅能够有效防止聚苯胺纳米层过厚所造成的离子不及时输送，而且能够有效防止聚苯胺纳米层过薄所造成的因体积膨胀弓丨起的结构崩塌。
[0040]进一步地，如图1a和图1b所示，本发明实施例所提供的纳米复合材料是一个“三明治结构”，在该“三明治结构”中，氧化石墨烯b能够防止高活性纳米粒子的聚集，而外层的纳米棒状聚苯胺a阵列为离子及电子的传输提供了便捷的通道，并且在一定程度上阻止了内层活性材料因体积膨胀而引起的结构崩塌，充分发挥了内层Ti02/G0复合材料的储锂性能，因此本发明实施例所提供的纳米复合材料呈现出了优良的循环稳定性和高倍率放电性能。
[0041]由此可见，本发明实施例利用了氧化石墨烯对纳米颗粒的分散作用和聚苯胺优异的导电性能解决了液相激光熔蚀技术量产低的问题，保留了所获Ti02/G0复合材料的高活性，从而使本发明实施例所提供的纳米复合材料具有优良的循环稳定性和高倍率放电性能；而该纳米复合材料仅涉及聚苯胺、T12、氧化石墨烯这三种物质，因此本发明实施例所提供的纳米复合材料材料无毒、环境友好、价格便宜。
[0042]( 二)该纳米复合材料的制备方法
[0043]上述技术方案中所述纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤:
[0044]