本发明专利技术提供一种球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料的制备方法，该方法利用静电自组装法将分散性良好的带负电的氧化石墨与带正电的钛醇混合液室温下真空抽滤，实现了尺寸均一的钛醇均匀地分布在氧化石墨片层表面或包埋在片层内部，最终通过低温回流和气相水合肼还原的方法将钛醇转变成TiO2，同时，将氧化石墨还原成导电性优异的石墨烯，即得到了具有TiO2/石墨烯三维结构的球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料。本发明专利技术所述的方法，采用具有三维连通网络结构的石墨烯取代了传统金属集流体，实现了集流体与活性物质一体化设计，无粘结剂、导电剂等非活性物质，有效降低了电极中非活性物质的比例，提高了活性物质利用率。该方法具有操作简便、易于规模化等优点。为锂离子和电子提供了快速扩散通道。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于能源功能材料领域，具体涉及一种球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料的制备方法。
技术介绍
锂离子电池以高能量密度、高重复循环使用次数、重量轻以及绿色环保等优势使其在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景，为锂离子电池带来了前所未有的机遇与挑战。开发具有高安全性、高倍率、高循环稳定性的电极材料成为近年来锂离子二次电池的重大课题，而正负极材料是组成电池的关键部分，直接决定着电池性能的好坏。目前，商业化的碳负极材料还存在一些难以克服的弱点，如碳负极表面在有机电解液中会形成钝化层(SEI膜)；当电池过充电时，碳电极表面可能会形成锂枝晶而引起短路。因此寻找比稍正的电位下嵌入锂，且廉价易得、安全可靠的新的负极材料的研究成为热点。TiO2是一种极具应用前景的锂离子电池负极材料，它与目前商业化碳材料相比，具有安全性能好、成本相对较低、首次不可逆容量损失小、充放电过程中不生成SEI膜等优势。但其也存在以下问题：自身导电性差(10-12-10-7S·cm-1)；在锂离子反复脱嵌过程中，TiO2颗粒易团聚，导致锂离子在固体活性材料中扩散速度较慢(扩散系数10-15-10-9cm2·s-1)，锂离子无法实现快速地嵌入脱出，其倍率性能差，限制了其在动力锂电中的广泛应用。近年来，有研究将碳纳米材料与TiO2结合形成复合材料，充分利用碳纳米材料优异的电学、光学性能和TiO2材料的半导体光电性质。基于石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的二维蜂窝状新型碳材料，将石墨烯与TiO2结合，能改善电极材料的结构以及电化学性能，优势主要体现在以下几个方面：(1)石墨烯的片层柔韧，在无外力作用下表面卷曲皱褶，这种特性使其能形成稳定的空间网络，可以一定程度上阻止TiO2的团聚，也可有效缓冲在充放电过程中的体积变化，即使在多次充放电后不会发生碎裂粉化，提高材料的循环寿命性能；(2)石墨烯优异的导电性能增强了电极材料中活性物质与集流体的导电接触，增强了材料的电子传输能力，使电池的倍率性能明显提升。由于石墨烯的优异特性，已有一些关于TiO2/石墨烯复合材料的文献报道，专利CN104577131A将石墨烯和TiO2在室温下进行物理搅拌，混合从而得到石墨烯包覆花苞状TiO2-B复合材料。该复合材料虽在一定程度上改善材料的导电性，由于石墨烯与TiO2之间的结合力差，在多次使用中纳米材料易团聚，限制了复合材料电化学性能的发挥。专利CN104157833A将苯乙烯嵌段共聚物溶于选择性溶剂中形成聚合物胶束溶液；加入氧化石墨烯溶液，待其混匀后再加入二氧化钛超声后流延在置于沉淀剂的饱和气氛中的载板上，待溶剂挥发后，即得聚合物/氧化石墨烯/二氧化钛复合多孔材料，再连同载板一起置于惰性气氛中碳化，即得石墨烯/二氧化钛多孔复合电极。电极材料的结构稳定性和倍率性能都有了很大的提升，但该制备方法生产成本高，工艺路线复杂、不易控制，不利于实际应用。寻找简单易行的制备方法以及构建紧密的界面接触一直是TiO2/石墨烯纳米复合负极材料研究的重点和难点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料的制备方法，该方法利用静电自组装法将分散性良好的带负电的氧化石墨与带正电的钛醇混合液室温下真空抽滤，实现了尺寸均一的钛醇均匀地分布在氧化石墨片层表面或包埋在片层内部，最终通过低温回流和气相水合肼还原的方法将钛醇转变成TiO2，同时，把氧化石墨还原成导电性优异的石墨烯，即得到了具有TiO2/石墨烯三维结构的球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料。本专利技术所述的方法，采用具有三维连通网络结构的石墨烯取代了传统金属集流体，实现了集流体与活性物质一体化设计，无粘结剂、导电剂等非活性物质，有效降低了电极中非活性物质的比例，提高了活性物质利用率。此外，由于三维石墨烯泡沫高导电性和丰富的孔结构，有利于电解液的扩散，可加速锂离子扩散到电极表面，为锂离子和电子提供了快速扩散通道。该方法具有操作简便、易于规模化等优点。本专利技术所述的一种球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料的制备方法，按下列步骤进行：a.将1-10mg氧化石墨加入到5mL去离子水中，超声0.5-4小时，以保证氧化石墨均匀分散，用0.01molHCl溶液调节氧化石墨分散液的pH值2-5，使得稳定的石墨烯分散液的表面荷负电；b.合成具有规则球形纳米结构的钛醇分子：将1-30mg钛醇分子分散在5mL去离子水中，用0.01molHCl溶液调节溶液的pH值2-5，使得钛醇分子的表面荷正电；c.将步骤a得的氧化石墨溶液中加入步骤b得到的球形钛醇分子的分散液，室温下搅拌均匀后，采用真空抽滤的方法，溶液中带正电的球形钛醇分子与带负电的氧化石墨通过静电自组装的方式，得到钛醇/氧化石墨复合材料；d.将步骤c中得到的钛醇/氧化石墨复合材料加入到60mL去离子水中，在温度60-150℃下回流1-12小时后，在温度80℃烘箱中干燥，得到二氧化钛/氧化石墨复合材料；e.将10mL水合肼加入到干燥的聚四氟乙烯为内衬的不锈钢反应釜中，再将步骤d得到的二氧化钛/氧化石墨复合材料悬于其中，在温度80-180℃还原1-12小时后，用去离子水和乙醇交替洗涤，即得到球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料。步骤c中得到的钛醇/氧化石墨复合材料中钛醇的质量百分比为60％。本专利技术所述的一种球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料的制备方法，该方法以气相水合肼蒸汽进行还原，薄膜无需浸泡，既实现了氧化石墨的还原，又使得二氧化钛/石墨烯柔性材料具有疏松多孔的特性。附图说明图1为本专利技术实施例2所合成的二氧化钛球/石墨烯片样品的扫描电镜图；图2为本专利技术实施例2所合成的氧化石墨烯及钛醇分子分别在pH＝3时的Zeta电位(A)；不同pH值下的Zeta电位(B)；图3为本专利技术实施例2所合成的氧化石墨烯及钛醇分子用于锂离子电池负极材料的充放电容量图。具体实施方案本实施例在本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术不仅限于下述的实施例：实施例1a.将1mg氧化石墨加入到5mL去离子水中，超声0.5小时，以保证氧化石墨均匀分散，用0.01molHCl溶液调节氧化石墨分散液的pH值2，使得稳定的石墨烯分散液的表面荷负电；b.合成具有规则球形纳米结构的钛醇分子：将2mg钛醇分子分散在5mL去离子水中，用0.01molHCl溶液调节溶液的pH值2，使得钛醇分子的表面荷正电；c.将步骤a得的氧化石墨溶液中加入步骤b得到的球形钛醇分子的分散液，室温下搅拌均匀后，采用真空抽滤的方法，溶液中带正电的球形钛醇分子与带负电的氧化石墨通过静电自组装的方式，得到钛醇/氧化石墨复合材料，其中钛醇/氧化石墨复合材料中钛醇的质量百分比为60％；d.将步骤c得到的钛醇/氧化石墨复合材料加入到60mL去离子水中，在温度60℃下回流1小时后，在温度80℃烘箱中干燥，得到二氧化钛/氧化石墨复合材料；e.将10mL水合肼倒入干燥的聚四氟乙烯为内衬的不锈钢反应釜中，再将步骤d得到的二氧化钛/氧化石墨复合材料悬于其中，在温度80℃还原1小时后，用去离子水和乙醇交替洗涤，即得到球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料。实施例2a.将4本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料的制备方法，其特征在于按下列步骤进行：a. 将1‑10 mg氧化石墨加入到5 mL去离子水中，超声0.5‑4小时，以保证氧化石墨均匀分散，用0.01 mol HCl溶液调节氧化石墨分散液的pH值2‑5，使得稳定的石墨烯分散液的表面荷负电；b. 合成具有规则球形纳米结构的钛醇分子：将1‑30 mg钛醇分子分散在5 mL去离子水中，用0.01 mol HCl溶液调节溶液的pH值2‑5，使得钛醇分子的表面荷正电；c. 将步骤a得的氧化石墨溶液中加入步骤b得到的球形钛醇分子的分散液，室温下搅拌均匀后，采用真空抽滤的方法，溶液中带正电的球形钛醇分子与带负电的氧化石墨通过静电自组装的方式，得到钛醇/氧化石墨复合材料；d. 将步骤c中得到的钛醇/氧化石墨复合材料加入到60 mL去离子水中，在温度60‑150 ℃下回流1‑12 小时后，在温度80℃烘箱中干燥，得到二氧化钛/氧化石墨复合材料；e. 将10 mL水合肼加入到干燥的聚四氟乙烯为内衬的不锈钢反应釜中，再将步骤d得到的二氧化钛/氧化石墨复合材料悬于其中，在温度80‑180℃还原1‑12小时后，用去离子水和乙醇交替洗涤，即得到球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料。...
【技术特征摘要】
1.一种球形二氧化钛/石墨烯柔性复合材料的制备方法，其特征在于按下列步骤进行：a.将1-10mg氧化石墨加入到5mL去离子水中，超声0.5-4小时，以保证氧化石墨均匀分散，用0.01molHCl溶液调节氧化石墨分散液的pH值2-5，使得稳定的石墨烯分散液的表面荷负电；b.合成具有规则球形纳米结构的钛醇分子：将1-30mg钛醇分子分散在5mL去离子水中，用0.01molHCl溶液调节溶液的pH值2-5，使得钛醇分子的表面荷正电；c.将步骤a得的氧化石墨溶液中加入步骤b得到的球形钛醇分子的分散液，室温下搅拌均匀后，采用真空抽滤的方法，溶液中带正电的球形钛醇分子与带负电的氧化石墨通过静电...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈琳，李茂华，
申请(专利权)人：新疆维吾尔自治区产品质量监督检验研究院，
类型：发明
国别省市：新疆;65
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