一种钛酸锂复合电极材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种钛酸锂复合电极材料的制备方法，其特征在于：采用固相方法制备钛酸锂材料；将石墨烯与聚乙二醇混合并超声分散到溶剂中，形成导电石墨烯分散液；将钛酸锂材料与导电石墨烯分散液按比例混合，经球磨、干燥后，在保护气氛中进行热处理烧结得到石墨烯/钛酸锂复合材料；解决了石墨烯在复合材料中分散性较差的问题。石墨烯在复合材料中分散均匀，可以提高钛酸锂材料的电子导电性，因而所得到的复合材料具有较好的倍率性能，适合作为动力锂离子电池和混合超级电容器的负极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种钛酸锂复合电极材料的制备方法
本专利技术涉及一种钛酸锂复合电极材料的制备方法，属于锂离子电池和混合超级电容器领域。
技术介绍
当今时代，煤、石油、天然气等不可再生资源日益枯竭，环境问题越来越受到人们的关注，开发和利用可再生资源成为解决人类生存和发展的重要问题。传统的铅酸蓄电池、镍氢蓄电池能量密度和功率密度已经不能满足未来储能系统的要求，特别是伴随着电动汽车及笔记本电脑、数码相机等各种便携式电子设备的广泛应用，对电池的可逆存储容量及稳定性要求更高，并要求具有较长的使用寿命，因此研究和开发具有更高性能的锂离子电池至关重要。新一代环境友好的锂离子二次电池具有能量密度高、工作电压高、自放电小、循环寿命长、无记忆效应、环境友好等优点，是继镍氢电池、镍镉电池之后的可充电绿色电池，近年来成为人们关注的重点。在锂离子电池中，电极材料的选择对电池的比能量、循环稳定性等有很大影响，因此选择合适的电极材料有望提高锂离子电池的综合性能。目前市场上锂离子电池负极材料使用的主要是各种嵌锂碳材料（石墨、中间相炭微球等），虽然采用碳材料的锂离子电池具有能量密度高的优点，但是其功率特性、循环寿命和安全性却受到了限制。近年来，钛酸锂（Li4Ti5O12）作为动力锂离子电池的负极材料日益受到重视，这是因为尖晶石型Li4Ti5O12在锂离子插入和脱出前后的晶格常数变化很小，被称为“零应变材料”，因而可以具有优异的循环稳定性，同时Li4Ti5O12的充放电平台电位约1.55V（vs.Li+/Li），当用作锂离子电池负极时，比金属锂和碳类材料电位高很多，不但表面不形成固体电解质膜（SEI膜），而且在充放电过程中避免了可导致安全隐患的金属锂枝晶的形成，具有很好的安全性，另外Li4Ti5O12还具有倍率性能好、库伦效率高等特点，是一种优异的动力电池材料。虽然Li4Ti5O12具有较高的理论比容量、较好的循环性能和安全性能，但是纯相Li4Ti5O12本身是绝缘体，其电子导电率仅为10-13S·cm-1，在一定程度上限制了该材料倍率性能的表现，也限制了其在动力锂离子电池以及超级电容器领域的应用。因此，目前有较多的研究工作着眼于提高Li4Ti5O12的离子导电性和电子导电性。常用的方法有：(1)改进制备方法以获得颗粒较小且粒径分布较均匀的Li4Ti5O12，缩短Li+的扩散路径；(2)掺杂金属离子；（3）在Li4Ti5O12颗粒表面包覆碳或制备Li4Ti5O12与导电剂的复合物。石墨烯是一种仅由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型晶格且只有一个碳原子厚度的二维材料。由于石墨烯具有结构稳定、电导率高、比表面积大（理论可达2600m2g-1）等优点，作为锂离子电池负极材料添加剂时，可以明显提高电子导电性，使负极具有出色的高倍率充放电性能。但是由于石墨烯材料表面呈惰性状态，化学稳定性高，与其他介质的相互作用较弱，并且石墨烯片层间有较强的范德华力作用而容易发生聚集，因此如何在应用时保持石墨烯的有效分散也是一个亟待解决的难题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种钛酸锂复合电极材料的制备方法，以解决石墨烯在复合材料中分散性较差的问题，进而提高钛酸锂材料的电子导电性，从而获得具有高倍率性能的石墨烯/钛酸锂复合材料。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种钛酸锂复合电极材料的制备方法，其特征在于：采用固相方法制备钛酸锂材料；将石墨烯与聚乙二醇混合并超声分散到溶剂中，形成导电石墨烯分散液；将钛酸锂材料与导电石墨烯分散液按比例混合，经球磨、干燥后，在保护气氛中进行热处理烧结得到石墨烯/钛酸锂复合材料；工艺包括如下步骤：（1）将粉末状石墨烯与聚乙二醇按1：0.8~2的重量比相混合，优选比例1：1，加入20~50倍聚乙二醇质量的溶剂，超生分散0.5~5h，优选2h，形成导电石墨烯分散液；（2）将钛酸锂材料与步骤（1）得到的导电石墨烯分散液按重量比1：1~5的比例混合，将混合料在行星球磨机中球磨混合2~10h，优选4h；（3）将步骤（2）球磨后的物质干燥，然后放入在气氛炉中，在无氧的惰性气体保护下进行烧结，烧结温度为500~800℃，优选650℃；烧结时间为1~5h，优选2h，研磨即可得到石墨烯/钛酸锂复合材料。所述的石墨烯分散液，其中所分散的粉末状石墨烯可由机械剥离法、直流电弧法、取向附生法、加热SiC法、化学还原法、化学解离法、CVD法等方法制备得到或复配。所述的溶剂为乙醇、水、异丙醇、N-甲基吡咯烷酮中的一种，优选乙醇。所述惰性气体为氩气、氮气、氦气中的一种，优选氩气。本专利技术的积极效果是通过将所制备钛酸锂材料加入到导电石墨烯分散液中，再经球磨、干燥、烧结后得到石墨烯/钛酸锂复合材料。由于使用了分散性较好的导电石墨烯分散液，所以该方法解决了石墨烯在复合材料中分散性较差的问题。石墨烯在复合材料中分散均匀，可以提高钛酸锂材料的电子导电性，因而所得到的复合材料具有较好的倍率性能，适合作为动力锂离子电池和混合超级电容器的负极材料。附图说明图1为本专利技术实施例1的石墨烯/钛酸锂复合材料的SEM图片。图2为本专利技术实施例2的石墨烯/钛酸锂复合材料的SEM图片。图3为本专利技术实施例2的石墨烯/钛酸锂复合材料在0.1C的充放电曲线。图4为本专利技术实施例2的石墨烯/钛酸锂复合材料的倍率性能曲线。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术进行具体描述，所述的实施例只是对本专利技术的权利要求的具体描述，权利要求包括但不限于所述的实施例内容。实施例1：将0.96g氢氧化锂和4.00g二氧化钛放入球磨罐中，加入球磨珠，在行星式球磨机上球磨混合8h，取出后在马弗炉中高温煅烧，煅烧温度为850℃，煅烧时间为15h，经研磨得到的钛酸锂白色粉末；将0.11g粉末状石墨烯（青岛东正石墨有限公司）与0.11g聚乙二醇混合，加入3g水，超生分散3h，形成导电石墨烯分散液；将2g钛酸锂材料与3.22g导电石墨烯分散液混合，将混合料在放入球磨罐中，加入球磨珠，在行星球磨机中球磨混合4h；将球磨后的物质干燥，然后放入在气氛炉中，在氩气保护下进行烧结，烧结温度为650℃，烧结时间为2h，研磨即可得到石墨烯/钛酸锂复合材料如图1所示。实施例2：将1.63g碳酸锂和4.00g二氧化钛放入球磨罐中，加入球磨珠，在行星式球磨机上球磨混合8h，取出后在马弗炉中高温煅烧，煅烧温度为850℃，煅烧时间为12h，经研磨得到的钛酸锂白色粉末；将0.44g粉末状石墨烯（常州第六元素公司）与0.44g聚乙二醇混合，加入12g乙醇，超生分散2h，形成导电石墨烯分散液；将4g钛酸锂材料与12.88g导电石墨烯分散液混合，将混合料在放入球磨罐中，加入球磨珠，在行星球磨机中球磨混合4h；将球磨后的物质干燥，然后放入在气氛炉中，在氩气保护下进行烧结，烧结温度为650℃，烧结时间为2h，研磨即可得到石墨烯/钛酸锂复合材料如图2-4所示。按照质量比85：10：5依次称取石墨烯/钛酸锂复合材料、气相生长碳纤维和聚偏氟乙烯，在N-甲基吡咯烷酮中制成浆料，涂敷在铜箔上，经真空干燥，裁切成直径为8mm的极片，与金属锂片（作为负极）组成扣式半电池，在不同倍率下进行充放电测试。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛酸锂复合电极材料的制备方法，其特征在于：采用固相方法制备钛酸锂材料；将石墨烯与聚乙二醇混合并超声分散到溶剂中，形成导电石墨烯分散液；将钛酸锂材料与导电石墨烯分散液按比例混合，经球磨、干燥后，在保护气氛中进行热处理烧结得到石墨烯/钛酸锂复合材料；工艺包括如下步骤：（1）将粉末状石墨烯与聚乙二醇按1：0.8~2的重量比相混合，优选比例1：1，加入20~50倍聚乙二醇质量的溶剂，超生分散0.5~5h，优选2h，形成导电石墨烯分散液；（2）将钛酸锂材料与步骤（1）得到的导电石墨烯分散液按重量比1：1~5的比例混合，将混合料在行星球磨机中球磨混合2~10h，优选4h；（3）将步骤（2）球磨后的物质干燥，然后放入在气氛炉中，在无氧的惰性气体保护下进行烧结，烧结温度为500~800℃，优选650℃；烧结时间为1~5h，优选2h，研磨即可得到石墨烯/钛酸锂复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种钛酸锂复合电极材料的制备方法，其特征在于：采用固相方法制备钛酸锂材料；将石墨烯与聚乙二醇混合并超声分散到溶剂中，形成导电石墨烯分散液；将钛酸锂材料与导电石墨烯分散液按比例混合，经球磨、干燥后，在保护气氛中进行热处理烧结得到石墨烯/钛酸锂复合材料；工艺包括如下步骤：（1）将粉末状石墨烯与聚乙二醇按1：0.8~2的重量比相混合，优选比例1：1，加入20~50倍聚乙二醇质量的溶剂，超生分散0.5~5h，优选2h，形成导电石墨烯分散液；（2）将钛酸锂材料与步骤（1）得到的导电石墨烯分散液按重量比1：1~5的比例混合，将混合料在行星球磨机中球磨混合2~10h，优选4h；（3）将步骤（2）球磨后的物质干燥，然后放入在气氛...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈书礼，荣常如，韩金磊，韩玉涛，张克金，米新艳，王丹，张苡铭，
申请(专利权)人：中国第一汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：吉林,22