本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，所述介孔單晶納米顆粒直徑為30～60nm，介孔孔徑分布為2～8nm。制備方法如下：將鈦源和氧化石墨烯分別分散在乙醇溶劑中后混合，然后加入少許的去離子水和乙醇的混合溶液，100℃下回流制備得二氧化鈦/氧化石墨烯復(fù)合材料，然后利用水熱法還原氧化石墨烯，再將其與鋰源進(jìn)行水熱鋰化反應(yīng)，最后在氬氣氣氛下進(jìn)行熱處理，即可得到鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料。所制備的鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒具有豐富的電化學(xué)活性位，還原氧化石墨烯的引入有利于提高鈦酸鋰的電子導(dǎo)電率，在電化學(xué)測(cè)試中表現(xiàn)出良好的性能，有望在鋰離子電池領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用
本專利技術(shù)屬于新能源材料領(lǐng)域，涉及一種鋰離子電池負(fù)極材料及其制備方法和應(yīng)用，具體地，所述鋰離子電池負(fù)極材料涉及一種具有介孔單晶形貌的鈦酸鋰(Li4Ti5O12)/還原氧化石墨烯復(fù)合材料。
技術(shù)介紹
鋰離子電池因其具有較大的能量密度和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)，使其在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。然而隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)鋰離子電池也提出了更高的要求。電極材料是鋰離子電池需要解決的關(guān)鍵問題之一。目前商用鋰離子電池負(fù)極材料主要是碳材料，但碳材料的工作電位較低(0.2V vs.Li/Li+)，在過充電的情況下，碳材料表面易形成鋰枝晶從而引發(fā)安全問題。尋找更安全、倍率性能和循環(huán)性能更好的負(fù)極材料，已成為鋰離子電池研究的焦點(diǎn)。近年來(lái)，尖晶石Li4Ti5O12作為鋰離子電池新型負(fù)極材料日益受到重視。作為“零應(yīng)變性”材料，具有優(yōu)越的循環(huán)穩(wěn)定性；而且它具有較高的嵌鋰電位(1.55V vs.Li/Li+)而不易引起金屬鋰析出，安全性好。但純相Li4Ti5O12導(dǎo)電性不佳，導(dǎo)致倍率性能不理想，成為限制其發(fā)展的主要瓶頸之一。目前針對(duì)Li4Ti5O12進(jìn)行改進(jìn)的方法主要有結(jié)構(gòu)優(yōu)化和與碳材料復(fù)合等。例如，Yu等人(L.Yu, H.B.Wu and X.ff.D.Lou, AdvancedMaterials, 2013，25，2296-2300.)用硅球做模板制備出了介孔Li4Ti5O12中空球殼，在20C的充放電倍率下仍保持 104mAh g_1 的容量。Shen 等人(L.Shen, X.Zhang, E.Uchaker, C.Yuanand G.Cao, Advanced Energy Materials, 2012, 2, 691-698.)將 Li4Ti5O12 負(fù)載在有序介孔碳上得到復(fù)合材料，在40C的充放電容量可以達(dá)到92.6mAh g4，與有序介孔碳復(fù)合后材料的倍率性能得到明顯改善。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
鑒于以上問題，本專利技術(shù)的目的是提供一種鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，設(shè)計(jì)思路如下:以水解法制備出TiO2納米顆粒/氧化石墨烯復(fù)合材料，然后利用水熱法還原氧化石墨烯，再將其與鋰源進(jìn)行水熱鋰化反應(yīng)，洗凈后在氬氣氣氛下進(jìn)行熱處理，制備得到鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料。所制備的復(fù)合材料中，Li4Ti5O12納米顆粒的介孔單晶結(jié)構(gòu)可以顯著增加其電化學(xué)活性位，而還原氧化石墨烯的引入不僅有助于提高Li4Ti5O12納米顆粒的導(dǎo)電性，還可以防止在鋰化過程中納米顆粒的團(tuán)聚，保證了復(fù)合材料高的電化學(xué)活性和高倍率性能。本專利技術(shù)的具體技術(shù)方案如下:—種鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料，所述復(fù)合材料具有如下結(jié)構(gòu):鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒負(fù)載在還原氧化石墨烯上；其中，鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒的直徑為30?60nm，介孔孔徑分布為2?8nm，重量百分含量為70?95%。一種鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法，包括如下步驟:(I)制備氧化石墨烯；(2)將30?IOOmg步驟(I)得到的氧化石墨烯分散在200?500ml乙醇中，超聲分散2?5h，得到分散液，將I?3g鈦酸四丁酯與同質(zhì)量的乙醇混合均勻后滴加到所述分散液中，攪拌20?60min，得到混合溶液；(3)將I?3g去離子水與同質(zhì)量的乙醇混合均勻，加入步驟(2)所述的混合溶液，攪拌20?60min，在100°C下回流5?20h，冷卻至室溫，抽濾，用乙醇多次清洗并收集產(chǎn)物；(4)將步驟(3)的產(chǎn)物分散在100?200ml去離子水中，在120?200°C水熱還原4?20h，離心洗滌冷凍干燥后收集產(chǎn)物；(5)將步驟(4)的產(chǎn)物與0.4?1.2mol/L的氫氧化鋰溶液混合后，160?200°C水熱鋰化反應(yīng)8?16h，離心洗滌干燥后收集產(chǎn)物；(6)將步驟(5)的產(chǎn)物在氬氣氣氛中于400?700°C下熱處理2?6h，即可得到所述的鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料。所述復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)為:鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒負(fù)載在還原氧化石墨烯上；其中，鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒的直徑為30?60nm，介孔孔徑分布為2?8nm，復(fù)合材料中鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒的重量百分含量為70?95%。所述步驟(I)具體為:將天然鱗片石墨和硝酸鈉混合，加入濃硫酸，冰水浴中攪拌10?20min，再緩慢加入高錳酸鉀，冰水浴中反應(yīng)0.5?lh，20?25°C下連續(xù)攪拌72?120h，依次加入50?60°C的去離子水和雙氧水反應(yīng)2?3h，離心分離；分離產(chǎn)物依次用硫酸和雙氧水的混合溶液、鹽酸稀溶液和去離子水洗滌3次，再離心洗滌至中性；加入20?5OmL去離子水超聲分散3?5h,冷凍干燥得到氧化石墨烯。所述步驟(3)中的去離子水與步驟(2)中的鈦酸四丁酯的質(zhì)量比為0.5?2。氫氧化鋰與鈦酸四丁酯的摩爾比為2?10。上述鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料的應(yīng)用，作為負(fù)極材料應(yīng)用于鋰離子電池。由以上技術(shù)方案和實(shí)施方法可知，本專利技術(shù)制備的Li4Ti5O12/還原氧化石墨烯復(fù)合材料中Li4Ti5O12納米顆粒的介孔單晶結(jié)構(gòu)可以顯著增加其電化學(xué)活性位，提高其電化學(xué)活性，而還原氧化石墨烯的引入不僅有助于提高Li4Ti5O12納米顆粒的導(dǎo)電性，還可以防止在鋰化過程中納米顆粒的團(tuán)聚，保證了復(fù)合材料高的電化學(xué)活性和高倍率性能，應(yīng)用在鋰離子電池負(fù)極材料領(lǐng)域具有優(yōu)異的倍率性能及循環(huán)穩(wěn)定性。【附圖說(shuō)明】圖1是實(shí)施例1產(chǎn)物的XRD曲線；圖2是實(shí)施例1產(chǎn)物的透射電鏡照片；圖3是實(shí)施例1的產(chǎn)物用作鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)測(cè)試結(jié)果。【具體實(shí)施方式】下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本專利技術(shù)的保護(hù)范圍。實(shí)施例1制備氧化石墨烯:將Ig天然鱗片石墨和Ig硝酸鈉混合，加入60mL濃硫酸，冰水浴中攪拌10?20min，再緩慢加入6g高錳酸鉀，冰水浴中反應(yīng)0.5h，25°C下連續(xù)攪拌120h，依次加入60ml50?60°C的去離子水和15mL雙氧水，各反應(yīng)2h，離心分離；分離產(chǎn)物依次用硫酸和雙氧水的混合溶液、鹽酸稀溶液和去離子水洗滌3次，再離心洗滌至中性；加入20mL去離子水超聲分散5h，冷凍干燥得到氧化石墨烯。將60mg的氧化石墨烯分散在300ml乙醇中，超聲分散3h，得到分散液，將2g鈦酸四丁酯與2g乙醇混合均勻，滴加到分散液中，攪拌30min，得到混合溶液；將2g去離子水與2g乙醇混合均勻，加入上述混合溶液中，攪拌30min，100°C下回流6h，冷卻至室溫，抽濾，用乙醇多次清洗并收集產(chǎn)物；將產(chǎn)物分散在150ml去離子水中，180°C水熱還原6h，冷卻至室溫，洗滌收集產(chǎn)物后冷凍干燥；將干燥后得到的產(chǎn)物與30ml濃度為0.8mol/L的氫氧化鋰溶液混合，180°C下水熱鋰化IOh ;冷卻后將所得產(chǎn)物洗滌干燥，在氬氣氣氛下600°C熱處理2h，即可得到所述具有介孔單晶形貌的Li4Ti5O12/還原氧化石墨烯復(fù)合材料。產(chǎn)物的XRD曲線如圖1所示、產(chǎn)物的透射電鏡照片如圖2所示。其中，Li4Ti5O12為介孔單晶納米顆粒，其直徑為30?60nm,介孔本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料具有如下結(jié)構(gòu)：鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒負(fù)載在還原氧化石墨烯上；其中，鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒的直徑為30～60nm，介孔孔徑分布為2～8nm，重量百分含量為70～95％。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料，其特征在于，所述復(fù)合材料具有如下結(jié)構(gòu):鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒負(fù)載在還原氧化石墨烯上；其中，鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒的直徑為30?60nm，介孔孔徑分布為2?8nm，重量百分含量為70?95%。2.一種鈦酸鋰介孔單晶納米顆粒/還原氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)制備氧化石墨烯； (2)將30?IOOmg步驟(I)得到的氧化石墨烯分散在200?500ml乙醇中，超聲分散2?5h，得到分散液，將I?3g鈦酸四丁酯與同質(zhì)量的乙醇混合均勻后滴加到所述分散液中，攪拌20?60min,得到混合溶液； (3)將I?3g去離子水與同質(zhì)量的乙醇混合均勻，加入步驟(2)所述的混合溶液，攪拌20?60min，在100°C下回流5?20h，冷卻至室溫，抽濾，用乙醇多次清洗并收集產(chǎn)物； (4)將步驟(3)的產(chǎn)物分散在100?200ml去離子水中，在120?200°C水熱還原4?20h，離心洗滌冷凍干燥后收集產(chǎn)物； (5)將步驟(4)的產(chǎn)物與0.4?1.2mol/L的氫氧化鋰溶液混合后，160?200°C水熱鋰化反應(yīng)8?16h，離心洗滌干燥后收集產(chǎn)物； (6)將步驟(5)的產(chǎn)物在氬氣氣氛中于400?700°C下熱處理2?...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：江浩，李春忠，陳維納，丁紅梅，鄧宗南，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：華東理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：上海;31
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