纳米钛酸锂‑石墨烯复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种纳米钛酸锂‑石墨烯复合材料的制备方法，先将石墨烯材料制备成石墨烯超分散液，再通过高压微喷流技术混合球磨成的超钛酸锂纳米粉，得到纳米钛酸锂‑石墨烯复合材料，再通过喷雾干燥，制备球形化钛酸锂‑石墨烯复合材料。本发明专利技术还涉及一种由上述方法获得的一种纳米钛酸锂‑石墨烯复合材料。

Graphene nano lithium titanate composite material and preparation method thereof

The invention discloses a preparation method of a nano lithium titanate graphene composites, the graphene material prepared graphene super dispersion by high pressure micro jet mixing ball grinding super lithium titanate nano Rice noodles, nano lithium titanate graphene composite materials by spray drying system. Preparation of spherical lithium titanate graphene composite materials. The invention also relates to a method obtained by above a nano lithium titanate graphene composite materials.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及锂离子电池负极材料领域，具体为一种纳米钛酸锂-石墨烯复合材料及其制备方法。
技术介绍
在化石能源石油、天然气等渐进枯竭和全球环境污染及气候变暖等日益加剧情况下，有关节能型清洁能源车(电动汽车、油电混合动力汽车和燃料电池车等)受到广泛的关注而得到迅猛的发展，作为其核心的动力电池的需求也急剧增长。锂离子电池由于具有能量密度大、循环寿命长、自放电小等突出性能，被广泛应用于移动通信、数码相机、笔记本电脑等便携式电子器件，以及电动工具、无人机、电动滑板车、军事防御和航空航天等领域。当它用作电动汽车的动力电源时，还需具有高容量、高功率、长寿命、宽温度适应性和安全性等。目前市场上动力电池的负极材料通常选用石墨类材料。由于石墨负极存在较大的能量损失和高倍率充放电性能差等缺点，同时石墨电极表面易析出金属锂，形成枝晶而引起短路，造成安全问题，大家将目光投向了非碳负极材料-钛酸锂。与传统石墨负极材料相比，尖晶石型钛酸锂(Li5Ti4O12，LTO)除资源丰富，高的化学稳定性和热稳定性等特点外，还具有不可替代的突出优势：(1)充放电过程中，锂离子嵌入和脱嵌过程中几乎不与电解质发生反应，因而不会形成固体电解质界面膜(SEI)，电池充放电效率高；(2)在锂离子嵌脱过程中，材料结构几乎不发生任何变化，是一种“零应变”材料，电池循环性能好；(3)钛酸锂具有十分平坦的放电电压、其嵌锂电位高(约1.55Vvs.Li/Li+)，充放电过程中可避免金属锂的沉积，不会析出锂枝晶，安全性能好，从材料上消除了锂离子电池的安全隐患；(4)钛酸锂可使用温度范围为-40℃～65℃，使用时具有宽的温度适应性。因而，是一种非常适合电动汽车的动力电池材料。然而，尖晶石钛酸锂本身是一种绝缘体材料，导电性差，影响了电池的快速充放电发挥特别是功率性能，限制其用于电动汽车中的应用。为了提高钛酸锂电子导电性，通过(1)减小颗粒尺寸，可有效减小充放电过程中锂离子和电子在材料中的扩散距离，从而达到加快充放电性能；(2)金属离子掺杂，通过掺杂导电性金属如银等，可以增加材料载流子浓度，以达到增强导电性的能力；(3)复合或包覆导电剂碳，利用碳包覆或碳纳米管等碳材料复合形成均匀分布的导电网络，以提高颗粒间及颗粒与集流体间的接触和电子导电性，达到提高倍率特性和循环性能。如中国专利申请(公开号CN101630732A)公开了一种碳纳米管负载纳米级钛酸锂复合材料制备方法，该方法采用溶胶-凝胶法将碳纳米管分散液与按比例加入的钛源、锂源及掺杂元素溶液混合均匀后，加热干燥制得凝胶前驱物，惰性气体下烧结得到碳纳米管负载纳米级钛酸锂粉体材料；中国专利申请(公开号CN102376937A)中公开了一种纳米钛酸锂/石墨烯的制备方法，该方法采用超细球磨微米钛酸锂与石墨烯混合，有效提高了材料的倍率和循环性能。此外，在碳纳米管/钛酸锂原位复合研究中发现，碳纳米管的加入会显著降低复合材料中钛酸锂颗粒的直径，从而缩短电池充放过程中离子与电子的输运距离，使得倍率性能得到提高(Huang,J.J.；Jiang,Z.Y.ElectrochimicaActa2008,53,7756)石墨烯是有单层碳原子构成的具有二维结构的碳材料，其突出特点即电子导电性，室温下的载流子迁移率可高达100,000cm2V-1s-1(Geim,A.K.；Novoselov,K.S.NatureMaterials2007,6,183)。同时，石墨烯还具有较高的机械性能和巨大的比表面积，这些优良特性也使其被广泛用作多种新型复合材料的添加剂。近年来，石墨烯已经被用于与多种纳米氧化物如SnO2、TiO2、Co3O4、Fe2O3等形成复合材料，均不同程度地提高了材料的电化学性能。目前，钛酸锂与导电剂碳材料的复合方法多采用溶胶-凝胶法进行原位合成。其主要优势在于原料混合均匀性好、化学计量比可精确控制、适于制备纳米粉体材料。但是，由于在制备过程中需要添加大量前驱物反应源，使得合成工艺复杂，其产生不同程度的污染物，因而，难以实现规模化生产，也限制了复合材料的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术提供一种纳米钛酸锂-石墨烯复合材料及其制备方法，可有效解决上述问题。本专利技术提供一种纳米钛酸锂-石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)纳米钛酸锂的制备：将二氧化钛和锂源按照锂与钛的摩尔比为0.8～0.9：1均匀混合，并进行湿法球磨，球磨时间为1～48小时，干燥后，在保护性气氛下，在500～1100℃煅烧1～36小时，得到微米钛酸锂粉末，再将所述微米钛酸锂粉末放入研磨器，在转速800～12000转/分的条件下湿法球磨30～240分钟，干燥后，得到纳米钛酸锂粉末；(2)石墨烯分散液的制备：将石墨烯分散在溶剂中，并加入一定量分散剂，打开MicrofluidizerM-110L高压微射流匀质机，调节压力为400-10000英镑/平方英寸PSI，在分散剂乳化的基础得到一次分散液，经静置后，取上层分散液作为制备复合材料的石墨烯分散液；(3)纳米钛酸锂-石墨烯分散液的制备：将所述纳米钛酸锂粉末混合在石墨烯分散液中，继续加入一定量的溶剂和分散剂调节粘度，打开MicrofluidizerM-110L高压微射流匀质机进行分散处理，调节压力为400-15000英镑/平方英寸PSI，进一步乳化分散混合石墨烯与钛酸锂材料，得到均匀分散的纳米钛酸锂-石墨烯复合分散液；(4)纳米钛酸锂-石墨烯复合材料的制备：将步骤(3)所得的纳米钛酸锂-石墨烯复合分散液进行干燥，得到钛酸锂-石墨烯复合材料，在惰性气氛下，对所述钛酸锂-石墨烯复合材料进行退火，并自然冷却至室温。作为进一步改进的，所述锂源选自碳酸锂、硝酸锂、氢氧化锂、氯化锂、氧化锂、硫酸锂、乙酸锂、磷酸锂、氟化锂中的一种。作为进一步改进的，所述锂源优选为碳酸锂。作为进一步改进的，球磨的介质选自无水乙醇、丙酮、水中的至少一种。作为进一步改进的，所述微米钛酸锂粉末的直径为1～100微米，所述纳米钛酸锂粉末的直径在20～500纳米。作为进一步改进的，所述纳米钛酸锂-石墨烯分散液中的溶剂选自水、乙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种。作为进一步改进的，所述纳米钛酸锂-石墨烯分散液中的溶剂为N-甲基吡咯烷酮。作为进一步改进的，步骤(4)中的惰性气氛中选自氮气、氩气、氢气、甲烷、乙炔、丙烷中的一种的至少一种。作为进一步改进的，通过旋转蒸发或喷雾干燥将步骤(3)所得的纳米钛酸锂-石墨烯复合分散液进行干燥。本专利技术还提供一种通过上述方法所获得的纳米钛酸锂-石墨烯复合材料，其中，所述石墨烯均匀分散于所述钛酸锂中，且所述石墨烯在复合材料中所占重量比例为0.5～20％，钛酸锂所占重量比例为80～99.5％。本专利技术提供的所述纳米钛酸锂-石墨烯复合材料及其制备方法，具有以下优点：1、本专利技术综合了纳米化及添加高导电性石墨烯复合改性两种方法，采用一种简单有效工艺，将固相法制备的钛酸锂变成纳米级，与高导电性的石墨烯均匀复合，处理后得到纳米钛酸锂-石墨烯复合材料。纳米化缩短了锂离子扩散距离，增加了材料体相电子导电性；高导电性石墨烯三维复合也改善了电极电子导电性，从而显著提高了倍率和循环性能。2、本专利技术采用高压微射流匀质机，工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米钛酸锂‑石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)纳米钛酸锂的制备：将二氧化钛和锂源按照锂与钛的摩尔比为0.8～0.9：1均匀混合，并进行湿法球磨，球磨时间为1～48小时，干燥后，在保护性气氛下，在500～1100℃煅烧1～36小时，得到微米钛酸锂粉末，再将所述微米钛酸锂粉末放入研磨器，在转速800～12000转/分的条件下湿法球磨30～240分钟，干燥后，得到纳米钛酸锂粉末；(2)石墨烯分散液的制备：将石墨烯分散在溶剂中，并加入一定量分散剂，打开Microfluidizer M‑110L高压微射流匀质机，调节压力为400‑10000英镑/平方英寸PSI，在分散剂乳化的基础得到一次分散液，经静置后，取上层分散液作为制备复合材料的石墨烯分散液；(3)纳米钛酸锂‑石墨烯分散液的制备：将所述纳米钛酸锂粉末混合在石墨烯分散液中，继续加入一定量的溶剂和分散剂调节粘度，打开Microfluidizer M‑110L高压微射流匀质机进行分散处理，调节压力为400‑15000英镑/平方英寸PSI，进一步乳化分散混合石墨烯与钛酸锂材料，得到均匀分散的纳米钛酸锂‑石墨烯复合分散液；(4)纳米钛酸锂‑石墨烯复合材料的制备：将步骤(3)所得的纳米钛酸锂‑石墨烯复合分散液进行干燥，得到钛酸锂‑石墨烯复合材料，在惰性气氛下，对所述钛酸锂‑石墨烯复合材料进行退火，并自然冷却至室温。...

【技术特征摘要】
1.一种纳米钛酸锂-石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)纳米钛酸锂的制备：将二氧化钛和锂源按照锂与钛的摩尔比为0.8～0.9：1均匀混合，并进行湿法球磨，球磨时间为1～48小时，干燥后，在保护性气氛下，在500～1100℃煅烧1～36小时，得到微米钛酸锂粉末，再将所述微米钛酸锂粉末放入研磨器，在转速800～12000转/分的条件下湿法球磨30～240分钟，干燥后，得到纳米钛酸锂粉末；(2)石墨烯分散液的制备：将石墨烯分散在溶剂中，并加入一定量分散剂，打开MicrofluidizerM-110L高压微射流匀质机，调节压力为400-10000英镑/平方英寸PSI，在分散剂乳化的基础得到一次分散液，经静置后，取上层分散液作为制备复合材料的石墨烯分散液；(3)纳米钛酸锂-石墨烯分散液的制备：将所述纳米钛酸锂粉末混合在石墨烯分散液中，继续加入一定量的溶剂和分散剂调节粘度，打开MicrofluidizerM-110L高压微射流匀质机进行分散处理，调节压力为400-15000英镑/平方英寸PSI，进一步乳化分散混合石墨烯与钛酸锂材料，得到均匀分散的纳米钛酸锂-石墨烯复合分散液；(4)纳米钛酸锂-石墨烯复合材料的制备：将步骤(3)所得的纳米钛酸锂-石墨烯复合分散液进行干燥，得到钛酸锂-石墨烯复合材料，在惰性气氛下，对所述钛酸锂-石墨烯复合材料进行退火，并自然冷却至室...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭成信，
申请(专利权)人：彭成信，
类型：发明
国别省市：福建;35