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一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法和应用技术

技术编号:15726192 阅读:182 留言:0更新日期:2017-06-29 18:34
本发明专利技术公开一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法,包括1)室温条件,将Ti(SO4)2置于氧化石墨烯溶液中,加入硫脲,搅拌混合后,加入CH3COOLi·2H2O,干燥下反应,得棕黄色反应液;2)将棕黄色反应溶液进行水热反应,离心分离,收集沉淀,乙醇洗涤,真空干燥,得产物前驱体;3)将产物前驱体置于氮气氛围中,煅烧,自然冷却至室温,研磨,得目标产物;该方法制备的Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物作为锂离子电池负极材料应用。其在保持LTO优良特性的前提下,不仅解决嵌锂碳材料的安全隐患问题,其层级多孔结构进一步增大了材料的比表面积,增大材料的容量,提高材料导电性能和循环性能,进而提高材料的倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法和应用
本专利技术涉及锂离子电池
,具体涉及一种用于锂离子电池负极材料Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法。
技术介绍
尖晶石型钛酸锂(Li4Ti5O12)(LTO)作为锂离子电池负极材料具有非常突出的优点:(1)充放电过程中骨架结构几乎不发生变化,是一种“零应变”材料,具有优良的循环性能和平稳的放电电压;(2)较高的工作电压(1.55V,相对于Li/Li+),不易引起金属锂析出,另外,由于该电压高于大多数液体电解质的还原电位,所以具有更高的安全性。(3)其平台容量超过总容量的85%,当电量将达到饱和时电压会迅速上升,这可用于指示充电完成,从而避免由于过充电导致的电极材料极化反应。尽管如此,LTO材料本身的电导率低(<10-13S·cm-1),在大电流充放电时容易产生较大的极化,影响了材料的倍率性能,限制了其在动力电池中的应用,这也是LTO材料不能令人满意的应用在实际生产的主要原因之一。目前,已报道过多种能够提高LTO倍率性能的方法,例如纳米结构、体相掺杂、包覆导电层等。在这些方法中,在LTO纳米材料表面包覆导电层是最为有效的一种方法。例如,使用两性含碳材料(ACM)作为碳的前驱体提高LTO纳米颗粒的性能,在20C下,其放电容量达到137mAh·g-1。除了碳包覆之外,TiO2作为一种能够使锂离子快速嵌入/脱嵌的材料,被视为是一种非常有前景的包覆材料。据报道,LTO/anatase-TiO2复合材料表现出了优异的电化学性能,具有大容量、高倍率性能、高容量保持率、循环稳定等一系列优点。。2014年Wang等利用anatase-TiO2作为LTO包覆层,证实了复合材料的高比容量、良好的速率稳定性和循环稳定性并且显著提高了电极材料的电化学性能。1.75Ag-1循环100次后,包覆anatase-TiO2的LTO保持着初始比容量96%的超高比容量,而纯相Li4Ti5O12的比容量只有初始值的84%。但是,TiO2具有非常低的电导率,这非常不利于电子的传输从而影响了材料的电化学性能,这一致命缺点使得它作为电极材料的应用受到了限制。为了解决TiO2电导率低的缺陷,目前最为常见和有效的方式是通过包覆一些高导电性的物质如碳材料、Ag、Cu、SnO2、TiN等,对TiO2进行表面修饰可以一定程度上减小材料的比表面积从而有效地阻止活性物质与电解液之间的副反应,通过包覆高导电性的物质来提高材料的导电性进而提高材料的倍率特性及循环稳定性。在所有的高导电性添加物中,石墨烯由于具有高的电导率、高的比表面积、优异的结构稳定性等优点而受到人们的广泛关注。在电极中石墨烯起到非常重要的作用,即使是含量非常少的石墨烯,也能大大提高电极的电化学性能。它既能为电子提供一个传输的通道又能抑制活性材料在多次脱嵌锂过程中产生的粉化,从而提高电极的电化学性能。但片状石墨烯直接用作锂离子电池负极材料存在着种种问题,如材料容易团聚收缩、首次库伦效率低等缺点。目前,相关领域技术人员通过利用石墨烯片层结构的自组装实现材料的三维孔结构化,这种三维立体结构解决了石墨烯作负极材料时的团聚问题,同时三维海绵体的气凝胶中丰富的孔道结构为锂离子在固体材料中的扩散提供路径,同时促进了电子渗透,使之能够快速传递到材料内部,从而提高保证电化学性能。基于以上的研究思路,我们通过将Li4Ti5O12、TiO2和具有高导电性的三维结构石墨烯气凝胶进行复合等方法来合成Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合材料,提高电池的电化学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种锂离子电池负极材料Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶及其制备方法,以解决Li4Ti5O12电导率低的问题,提高表面锂存储能力,进而提高材料的循环性和稳定性,提高材料的倍率性能。本专利技术提供的技术方案,具体为一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物,制备方法如下:1)室温条件下,将Ti(SO4)2置于氧化石墨烯溶液中,再加入0.01g-0.02g硫脲,充分搅拌并混合后,加入CH3COOLi·2H2O,干燥条件下,反应10-12h,得到棕色反应液;2)将棕色反应溶液转移至反应釜中,进行水热反应后,离心分离,收集沉淀,乙醇洗涤,70-80℃真空干燥6-8h,得产物前驱体;3)将产物前驱体置于氮气氛围中,进行煅烧后,自然冷却至室温,研磨,得目标产物Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物。所述的一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物,步骤1)中CH3COOLi·2H2O和Ti(SO4)2中Ti(SO4)2按照重量百分比为5%-15%进行配料。所述的一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物,步骤1)中硫脲与氧化石墨烯的质量比为1-2:4。所述的一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物,步骤1)中Ti(SO4)2与CH3COOLi·2H2O的的质量比为0.11-0.38:2.15。所述的一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物,步骤1)中的搅拌为磁力搅拌。所述的一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物,步骤2)中水热反应的条件为170-180℃反应12h。所述的一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物,步骤3)中煅烧的温度为600-700℃,煅烧时间为2h。一种所述的Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物作为负极材料在锂离子电池上的应用。本专利技术具有以下有益效果:本专利技术提供的锂离子电池负极材料Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法,其采用水热合成法,以Ti(SO4)2、氧化石墨烯和CH3COOLi·2H2O为原料,以水为溶剂,采用硫脲作为还原剂和粘结剂,于室温条件下,反应制得前驱体;将前驱体置于氮气氛围中,高温烧结得到目标产物,通过该方法制备而成的锂离子电池负极材料为尖晶石型Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合材料,在保持LTO优良特性的前提下,不仅具有Li4Ti5O12、TiO2、石墨烯复合材料所具有的优点,而且尤为重要的是,其纳米材料的优异性能与宏观多孔材料的优良特性相结合,克服了以往Li4Ti5O12电极材料存在导电性差的缺点,进一步增大了材料的比表面积和容量,为锂离子提供多维电子传递途径,显著提高了材料的电化学性能,且其采用极其简单的一步水热方法合成,特别有利于实现LTO电极材料的商品化,推动锂离子电池负极材料新发展。本专利技术不仅解决嵌锂碳材料的安全隐患问题,尤为重要的是其层级多孔结构进一步增大了材料的比表面积,增大了材料的容量,提高了材料导电性能和循环性能,进而提高了材料的倍率性能。附图说明图1为不同Ti(SO4)2重量百分比煅烧所得电池负极材料Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物的XRD图;其中,a、5%;b、10%;c、15%。图2为不同Ti(SO4)2重量百分比煅烧所得电池负极材料Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物的TEM图;其中,a、5%;b、10%;c、15%。具体实施方式下面结合具体的实施方案对本专利技术进行进一步解释,但是并不用于限制本专利技术的本文档来自技高网
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一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物及其制备方法和应用

【技术保护点】
一种Li

【技术特征摘要】
1.一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物,其特征在于,制备方法如下:1)室温条件下,将Ti(SO4)2置于氧化石墨烯溶液中,再加入0.01g-0.02g硫脲,充分搅拌并混合后,加入CH3COOLi·2H2O,干燥条件下,反应10-12h,得到棕色反应液;2)将棕色反应溶液转移至反应釜中,进行水热反应后,离心分离,收集沉淀,乙醇洗涤,70-80℃真空干燥6-8h,得产物前驱体;3)将产物前驱体置于氮气氛围中,进行煅烧后,自然冷却至室温,研磨,得目标产物Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物。2.如权利要求1所述的一种Li4Ti5O12/TiO2/石墨烯气凝胶复合物,其特征在于,步骤1)中CH3COOLi·2H2O和Ti(SO4)2中Ti(SO4)2按照重量百分比为5%-15%进行配料。3.如权利要求1所述的一种Li4Ti5O12/TiO2/石...

【专利技术属性】
技术研发人员:宋溪明聂胜楠王登虎崔潞霞葛昊
申请(专利权)人:辽宁大学
类型:发明
国别省市:辽宁,21

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