高比容量锂离子电池电极材料及其制备方法技术

一种高比容量锂离子电池电极材料制备方法，包括Hummers法氧化，添加吡咯制备前驱体溶液，制备三维凝胶，高温碳化，第二次水热反应，利用氧化石墨烯、一维碳材料和吡咯通过水热自组装反应制备三维凝胶，再经碳化处理后与过渡金属盐共水热反应从而将生成的过渡金属氧化物掺杂在三维结构中最后制备出掺杂过渡金属氧化物的三维自组装的锂离子电极材料，通过过渡金属氧化物颗粒与三维碳结构相组合，使得电极材料中的活性物质达到均匀分散且具有优异的导电性能和循环比容量，同时该制备方法简单，制备成本低，同时也提供了一种高比容量锂离子电池电极材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于化学材料领域，尤其是涉及一种锂离子电池电极材料及其制备方法。
技术介绍
当前能源、环境问题普遍成为世界各国最棘手的两大问题，发展和利用二次能源 将是解决问题的突破口。锂离子电池具有高能量密度、工作电压高、无记忆效应等被视为二 次能源中最有发展潜力的材料，其在便携式电子产品、家用电器、交通工具等都有广泛的应 用。然而现有的商业化负极材料主要是石墨，其理论比容量只有372mAh/g，很难满足锂离子 电池在大功率设备如电动车、电网等应用。因此，需要寻找和开发高效、低耗和廉价负极材 料来代替石墨是解决问题的关键，也是研究热点和难点。过渡金属氧化物通常具有比石墨 高2~3倍的理论比容量，较低的放电平台，但存在充放电过程中体积膨胀大和导电性差这 两大重点问题，从而导致其容量衰减迅速、循环稳定性差。 近年来研究者们对以上问题进行了一系列的研究工作，有的通过设计和制备纳米 化的过渡氧化物，或是将具有介孔/微孔的导电碳基与过渡金属复合等策略对其电化学性 能有所改善但也存在以下不足：1)纳米化颗粒极易团聚、分布不均匀；2) -般多孔导电基 底为电化学惰性物质，材料的整体体积比容量低。石墨烯作为电化学活性材料，能够实现锂 离子在其的可逆存储，同时具有大比表面积、良好的柔顺性和导电性成为过渡金属复合化 研究的明星材料，然而石墨烯的层与层之间存在严重的堆叠现象。 为了克服石墨烯直接与过渡金属复合带来的石墨烯分散不均匀、过渡金属团聚严 重的现象，研究者采用高温高压条件下使生长出的过渡金属均匀分散在石墨烯片层上的制 备的方法，或是利用模板等精心设计石墨烯的结构等方法来解决。这些方法相对复杂、高成 本，不利于工业化的制备和生产。
技术实现思路
本专利技术是为解决上述问题而提出的，提供了一种高比容量锂离子电池电极材料及 其制备方法，该方法制备的电极材料具有三维稳定结构，能使活性物质分散均匀且体系导 电性能好、循环比容量高的特点，是基于石墨烯复合的三维自组装的高比容量锂离子电池 电极材料。 本专利技术提供的高比容量锂离子电池电极材料，其为复合碳材料，其特征在于：含过 渡金属氧化物质量分数为30~80%。 本专利技术提供的高比容量锂离子电池电极材料，还可以具有这样的特征：其中，过渡 金属氧化物是锡、钴、锰、铁、铜、镍、钨、钼、钛氧化物中的任意一种 本专利技术还提供一种高比容量锂离子电池电极材料制备方法，包括以下步骤： 步骤一，将石墨采用Hummers法氧化处理得到的氧化石墨稀、一维碳材料用无机 酸和去离子水进行洗清，并分别配成合适浓度的氧化石墨烯水溶液和一维碳材料水溶液； 步骤二，将步骤一中氧化石墨烯水溶液、一维碳材料水溶液分别进行超声分散后 按一定质量比混合并加入一定质量分数的吡咯，制得前驱体溶液； 步骤三，利用水热反应对步骤二所制得的前驱体溶液进行第一次水热反应，然后 冷冻干燥，得三维凝胶； 步骤四，将步骤三制得的三维凝胶进行高温碳化； 步骤五，将步骤四中高温碳化后的产物与过渡金属盐混合后进行第二次水热反 应，将过滤得到的固体产物经多次去离子水、醇溶剂清洗，制得掺杂过渡金属氧化物的三维 自组装的锂离子电极材料。 本专利技术提供的高比容量锂离子电池电极材料制备方法，还可以具有这样的特征： 其中，其中，无机酸为盐酸、硫酸、硝酸中的任意一种或其混合酸。 本专利技术提供的高比容量锂离子电池电极材料制备方法，还可以具有这样的特征： 其中，其中，步骤一中合适浓度为7~15mg/ml。 本专利技术提供的高比容量锂离子电池电极材料制备方法，还可以具有这样的特征： 其中，步骤二中一定质量比是氧化石墨稀水溶液质量：一维碳材料水溶液质量为1:3~ 3:1，一定质量分数是1~5%。 本专利技术提供的高比容量锂离子电池电极材料制备方法，还可以具有这样的特征： 其中，步骤三中第一次水热反应条件为160~200°C温度下10~16小时，冷冻干燥的条件 为-40°C~_80°C温度下保持24~72小时。 本专利技术提供的高比容量锂离子电池电极材料制备方法，还可以具有这样的特征： 其中，步骤四高温碳化的条件是800~1200°C温度下保持1~4小时。 本专利技术提供的高比容量锂离子电池电极材料制备方法，还可以具有这样的特征： 其中，步骤一中一维碳材料是指单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米棒、碳纳米线、碳纳米 棍、碳纤维中的任意一种，步骤五中过渡金属盐是锡、钴、锰、铁、铜、镍、钨、钼、钛的硝酸盐 和盐酸盐中的任意一种。 本专利技术提供的高比容量锂离子电池电极材料制备方法，还可以具有这样的特征： 其中，步骤五中第二次水热反应的条件是180~220°C温度下12~20小时。 专利技术作用与效果 本专利技术提供的，利用氧化石墨烯、一维碳材料和吡咯通过水热自组装反应制备三维凝胶，再经碳化处理后与过渡金属盐共水热 反应从而将生成的过渡金属氧化物掺杂在三维结构中最后制备出掺杂过渡金属氧化物的 三维自组装的锂离子电极材料，通过过渡金属氧化物颗粒与三维碳结构相组合，使得电极 材料中的活性物质达到均匀分散且具有优异的导电性能和循环比容量，同时该制备方法简 单，制备成本低。【附图说明】 图1为本专利技术的高比容量锂离子电池电极材料制备方法的流程示意图； 图2是本专利技术的高比容量锂离子电池电极材料制作成锂电池的负极后，该电池的 容量及充放电效率的曲线图； 图3是本专利技术的高比容量锂离子电池电极材料制作成锂电池的负极后，该电池的 在0. 5mA/g~ΙΟΑ/g充放电电流密度下的放电容量曲线图。【具体实施方式】 为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实 施例结合附图对本专利技术的高比容量锂离子电池电极材料制备方法作具体阐述。 实施例1 图1为本实施例的高比容量锂离子电池电极材料制备方法的流程示意图 步骤 一S1，氧化。将石墨米用Hummers法（￥.3.!1111111116『8，1?』.!1〇打61]1&11，工 Am.Chem.Soc. 1958, 80, 1339)氧化处理得到的氧化石墨稀、一维碳材料用盐酸和去离子水 进行洗清，并分别配成l〇mg/ml的水溶液； 步骤二S2,制备前驱体溶液。将步骤一所得氧化石墨烯、一维碳材料分别进行超声 分散30min后按质量比1:1混合并加入质量分数为2%吡咯，从而制得前驱体溶液； 步骤三S3,制备三维凝胶。利用水热反应对步骤二所制得的前驱体溶液进行 180°C下12h的水热反应，然后在-50°C冷冻干燥48h，得三维凝胶； 步骤四S4,高温碳化。将步骤三制得的三维凝胶置于1050°C高温碳化2h后， 步骤五S5,第二次水热反应。将步骤四中高温碳化后的产物与过渡金属盐，本实施 例使用硝酸铜混合后进行第二次200°C下16h的水热反应，再经多次去离子水、乙醇清洗， 从而制得掺杂过渡金属氧化物的三维自组装的锂离子电极材料。 实施例2步骤一S1，氧化。将石墨米用Hummers法（？.3.!111111111618，1?』.!1〇€€61]1&11，工 Am. Chem. Soc. 1958, 80, 1339)氧化处理得到的氧化石墨稀、一维碳材料用盐酸和去离子水 进行洗清，并分别配成7mg/ml的水溶液； 步骤二S2,制备前驱体溶液。将本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高比容量锂离子电池电极材料，其为复合碳材料，其特征在于：含过渡金属氧化物质量分数为30～80％。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑时有，王静，孙大林，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31