CN106887580A - 一种锂离子电池负极材料及其制备方法 - Google Patents

一种锂离子电池负极材料及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106887580A
CN106887580A CN201710288801.6A CN201710288801A CN106887580A CN 106887580 A CN106887580 A CN 106887580A CN 201710288801 A CN201710288801 A CN 201710288801A CN 106887580 A CN106887580 A CN 106887580A
Authority
CN
China
Prior art keywords
carbon
graphene oxide
lithium ion
ion battery
linked structure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201710288801.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106887580B (zh
Inventor
杨娟
周向阳
王标
聂阳
田航宇
陈三妹
程芳燕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dali Chenyu Energy Storage New Material Co ltd
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN201710288801.6A priority Critical patent/CN106887580B/zh
Publication of CN106887580A publication Critical patent/CN106887580A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106887580B publication Critical patent/CN106887580B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362—Composites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052—Li-accumulators
    • H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/483—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides for non-aqueous cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624—Electric conductive fillers
    • H01M4/625—Carbon or graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/628—Inhibitors, e.g. gassing inhibitors, corrosion inhibitors
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明涉及锂离子电池技术领域，具体为一种锂离子电池负极材料及其制备方法。本发明所设计的负极材料为纳米氧化钛与高导电性碳材料的原位复合物，其以多孔片状交联结构碳作为骨架，在骨架的片层上及孔径中均匀的填充有纳米二氧化钛颗粒。其制备方法为：以氧化石墨烯作为第一碳源，以A作为第二碳源、以B作为掺杂源；将三者加入溶剂中混合均匀后，在160～200℃进行反应，得到有元素掺杂的交联态碳材料；然后采用高温碱蚀，形成多孔片状交联结构的碳骨架，接着通过水解含钛有机物和高温处理得到成品。本发明制备工艺简单，原料成本低廉、合成温度低；所得产品具有体积膨胀小、导电性高、比容量高、良好的倍率性能及优异的循环稳定性。

Description

一种锂离子电池负极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池材料领域，具体涉及一种长循环寿命锂离子电池负极材料及其制备方法和应用。
背景技术
锂离子电池作为一种新型的储能器件，具有能量密度大，循环寿命长和环境友好等优势，在笔记本电脑、手机、小型摄像机等领域上有着广泛的应用。随着科学技术的不断进步，锂离子电池已经被应用到新能源汽车、航空航天、智能电网等高科技领域中。负极材料是锂离子电池的关键材料之一，影响着电池的各项电化学性能。目前商业化广泛使用的石墨材料存在理论容量较低，嵌锂电位接近锂的生成电位，这使得锂枝晶极易生长，进而引起的安全性问题。同时在反复充放电过程中，石墨片层容易剥离进而导致电池的循环性能下降等问题。因此，开发安全性好、低成本、高容量、长寿命的新型负极材料对下一代锂离子电池发展及其下游产业的技术革新具有十分重要的意义。
过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料时，通常具备较高的理论容量和丰富的储存量等优势，已成为研究人员广泛关注的热点。其中钛氧化物作为锂离子电池负极材料时，在脱嵌锂过程中的体积变化小，具有优异的循环性能与良好的安全性能。然而钛氧化物负极材料在实际应用中还存在以下缺陷：实际比容量、电子电导率和离子传导率均较低，从而制约了其在容量型及功率型锂离子电池中的应用。
为了解决上述问题，有研究人员对钛氧化物负极材料进行复合改性和结构设计。总的来说，他们所采用的方法主要有两大类：第一类方法是将钛氧化物材料纳米化，以此缩短离子传输路径，改善倍率性能。如Bao等人(Electrochem.Commun.,2007,9(5):1233-1238)提供了一种通过二元熔融盐制备纳米结构二氧化钛的新方法，并发现该化合物具有良好的循环性能和高的比容量。第二类方法是将钛氧化物与高导电性材料复合，以此提高电极的电子导电性。具有导电作用的组分可以是碳材料，也可以是各种金属或导电聚合物。如Yang等人(RSC Advances,2011,1(9):1834-1840)通过水热合成技术制备出具有核壳结构的TiO2纳米管与SnO2复合材料，以此提高比容量并改善循环稳定性。
然而，现有技术中，为获得纳米氧化钛，普遍存在制备方法复杂，原料成本昂贵，纳米颗粒极易二次团聚等问题，同时，所得产品中也存在氧化钛与导电基体的复合也存在结合不牢、容易脱落、长循环性能不佳等问题，因此上述方法均不适合在商业化大规模生产中使用。
发明内容
本发明主要目的是解决目前技术存在的问题，提供一种制备方法简单，对环境友好，具有高容量、优秀倍率性能及优异循环性能的锂离子电池二氧化钛负极材料，该材料能有效改善现有的钛氧化物导电性差和碳负极材料循环性能不好等问题。
本发明一种锂离子电池负极材料，包括二氧化钛纳米颗粒和多孔片状交联结构的碳骨架，所述纳米二氧化钛颗粒均匀地分散在碳材料片层上及孔径之中。
作为优选，所述纳米二氧化钛颗粒的粒径为5nm～50nm，所述碳骨架的孔径大小为50nm～100nm，片层厚度为0.5～2μm。
作为优选，所述碳骨架含有掺杂原子，所述掺杂原子选自氮、硫、磷中的至少一种。作为进一步的优选方案，所述碳骨架含有掺杂原子，所述掺杂原子的掺杂量为5％～10％。
作为优选，纳米二氧化钛和碳骨架的质量比为3:1～5:1。
本发明一种锂离子电池负极材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤一
以氧化石墨烯作为第一碳源，以A作为第二碳源、以B作为掺杂源；将氧化石墨烯、A、B加入溶剂中混合均匀后，在均质状态下于160～200℃进行反应，得到有元素掺杂的交联态碳材料；所述A为可溶性糖类或可溶性树脂类；所述B中含有掺杂元素，所述掺杂元素选自除碳、氢、氧外的任意一种元素；
步骤二
按质量比，碱性化合物/有元素掺杂的交联态碳材料大于等于3的比例配取碱性化合物和步骤一所得的有元素掺杂的交联态碳材料；将二者混合均匀后，在保护气氛下，进行高温热处理，形成多孔片状交联结构的碳骨架；所述高温热处理时，控制温度大于等于500℃；
步骤三
按质量比，含钛有机物/多孔片状交联结构的碳骨架大于等于4的比例，配取步骤二所得多孔片状交联结构的碳骨架和含钛有机物；先将配取的多孔片状交联结构的碳骨架均匀分散于溶剂C中，得到混合物D，然后将配取的含钛有机物加入到混合物D中，在搅拌条件下于60℃以下反应，得到含二氧化钛前驱体的碳骨架；
步骤四
在保护气氛下，对步骤三所得含二氧化钛前驱体的碳骨架进行热处理；得到所述锂离子电池负极材料；进行热处理时，控制温度大于等于600℃。
作为优选，所述第一碳源为氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯分散液。作为进一步的优选，所述氧化石墨烯溶液是hummers法制备的氧化石墨烯溶液。作为进一步的优选，所述氧化石墨烯分散液通过下述方案制备的：
按设计浓度，配取氧化石墨烯粉末和去离子水，将配取的氧化石墨烯粉末溶解于去离子水中，超声分散1～4h，得到所述氧化石墨烯分散液。
作为进一步的优选，所述氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯的浓度为1～5g/L。
作为更进一步的优选，所述氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯的片层大小为500nm～5μm。
作为更进一步的优选，所述氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯的含氧量为40～60wt％。
作为优选，步骤一中，所述A选自蔗糖、葡萄糖、果糖、酚醛树脂、环氧树脂、多巴胺中的至少一种。
作为优选，步骤一中，所述B选自尿素、硫脲、三聚氰胺、植酸、乙二胺、三乙醇胺中的至少一种。
作为优选，步骤一中，按质量比，第一碳源：第二碳源：掺杂源＝1:15:1～1:25:3。作为进一步的优选，步骤一中，按质量比，第一碳源：第二碳源：掺杂源＝1:20:1～1:20:2。
作为优选，步骤一中，所述溶剂选自去离子水、无水乙醇、甲醇、丙醇中的一种。
作为优选，步骤一中，按设定比例配取氧化石墨烯、A、B加入溶剂中，搅拌2～6h，得到混合均匀液体E，所述搅拌包括机械搅拌、磁力搅拌中的至少一种，搅拌时控制转速为500～1000rmin-1。
作为优选，步骤一中，在均质状态下于160～200℃进行反应10～16h，得到有元素掺杂的交联态碳材料。
作为优选，步骤一中，所述掺杂元素选自氮、硫、磷中的至少一种。
作为优选，步骤二中，碱性化合物选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾中的至少一种。
作为优选，步骤二中，碱性化合物与有元素掺杂的交联态碳材料的质量比为3:1～6:1。作为进一步的优选，步骤二中，碱性化合物与有元素掺杂的交联态碳材料的质量比为4:1～5:1。
在工业上应用时，步骤二中，混合碱性化合物与有元素掺杂的交联态碳材料是通过机械混料和/或湿法球磨等方式实现的。
作为优选，步骤二中，所述高温热处理时，控制温度为500～800℃、时间为1～3h。
作为优选，步骤二中，在保护气氛下，进行高温热处理，所述保护气氛选自氩气气氛、氦气气氛、氖气气氛、氮气气氛中的至少一种。
作为优选，步骤二中，高温热处理后，用质量分数为5％～10％的盐酸清洗一次除去过量的碱；然后用去离子水清洗多次次除去其他杂质。在工业上应用时，用去离子水清洗3次至洗液的pH＝7。
作为优选，步骤三中，多孔片状交联结构的碳骨架材料与含钛有机物的质量比为1:4～1:8。优选的比例为1:5～1:6。在工业上应用时，通过对步骤二和步骤三的联合控制，可达到控制其二氧化钛的负载量这一目的。
作为优选，步骤三中，溶剂C选自无水乙醇、异丙醇、甲醇中的至少一种。
作为优选，步骤三的混合物D中，多孔片状交联结构的碳骨架材料的浓度为0.2～0.4g/L。
作为优选，步骤三中，所述含钛有机物选自钛酸四乙酯、钛酸四丙酯、钛酸四丁酯中的至少一种。
作为优选，步骤三中，按设定比例配取步骤二所得多孔片状交联结构的碳骨架和含钛有机物；先在超声条件下将配取的多孔片状交联结构的碳骨架均匀分散于溶剂C中，得到混合物D；停止超声，然后在搅拌条件下，将配取的含钛有机物加入到混合物D中反应18～24h；反应时，控制体系的温度为45～60℃；所述超声的频率为40kHz-80kHz、时间为1-4h；所述搅拌的转速为500-1000转/min。
在工业化应用时，通过加热套管控制体系的温度。
在步骤三中，当含钛有机物加入到混合物D中进行反应时，含钛有机物水解，使得纳米级别的二氧化钛前驱体均匀分布于碳骨架的片层上及孔径内。
作为优选，步骤四中，热处理温度为600～800℃，处理时间为2～4h。
在本发明中，所述保护气氛选自氮气气氛、氦气气氛、氩气气氛、氖气气氛中的至少一种。
本发明所设计和制备的锂离子电池负极材料，在0.1C、500圈循环后，其比容量保持率为93-95％。
原理和有益效果
原理
本发明以氧化石墨烯作为第一碳源，以A作为第二碳源，首次采用了两种碳源，在160～200℃的条件下制备出了有元素掺杂的交联态碳材料；这一步骤为得到多孔片状交联结构的碳骨架提供了必要条件。此时所得材料中，孔隙还无法满足材料性能设计的要求，于是采用高温碱蚀，制备出孔隙符合设计要求的多孔片状交联结构的碳骨架。所制备的多孔片状交联结构的碳骨架内部以及外表面分布有大量的活性点，这为纳米级二氧化钛前驱体的均匀分布提供了必要条件。最后，通过步骤一、二、三、四的协同作用，得到了纳米二氧化钛颗粒均匀地分散在碳材料片层上及孔径之中的负极材料。
有益效果：
(1)本发明负极材料中的多孔片状交联结构碳骨架不仅作为高导电基体在充放电反应过程中形成有效的导电网络，而且可以提供大量氧化钛前驱体的成核位置并限制其长大，从而获得均匀分散的纳米氧化钛颗粒。
(2)纳米氧化钛颗粒在碳片层中的均匀分布一方面缩短锂离子传输路径，改善锂离子扩散动力学，提高材料的倍率性能，另一方面可减小碳材料在锂离子脱嵌过程中的体积变化，使复合材料拥有优异的循环性能。
(3)在碳骨架中掺杂的氮、硫等元素也能提供大量可供纳米二氧化钛生长的化学活性位点，同时提高复合材料的比容量，并进一步改善材料的导电性。
(4)本发明采用的制备工艺简单，原料易得，结构可调，性能可控，因而具有高的应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的二氧化钛-碳复合材料的扫描电镜图。
图2为本发明实施例1制备的二氧化钛-碳复合材料的透射电镜图。
图3为本发明实施例1制备的二氧化钛-碳复合材料的X射线衍射图。
图4为由本发明实施例1制备的二氧化钛-碳复合材料组装的电池的循环曲线图。
从图1可以看出，制备出的二氧化钛-碳复合材料具有多孔片层结构，TiO2颗粒尺寸很小且均匀的分布在碳片层上。
从图2可以看出，制备出的二氧化钛-碳复合材料具有片状交联结构，孔径内均匀分布有纳米TiO2颗粒。
从图3可以看出，制备的二氧化钛-碳复合材料中所有的衍射峰都属于TiO2，且碳的衍射峰不明显，说明本发明方法制备出的复合物中含纯相锐钛矿型TiO2，碳片层较薄或无定型。
从图4可以看出，本发明制备出的二氧化钛碳复合材料作为锂离子电池负极时表现出具备优秀的电化学性能。
具体实施方式：
实施例1
(1)取100ml浓度2g/L的氧化石墨烯溶液，同时加入4g蔗糖与0.2g硫脲，800rmin-1磁力搅拌2h反应后获得均质混合溶液，将该均质混合溶液180℃处理12h，形成有元素掺杂的交联态碳材料；
(2)取0.5g步骤(1)所制得碳材料，与2g氢氧化钾混合均匀，将该混合物500℃处理2h，形成多孔片状交联结构的碳骨架；
(3)取0.2g步骤(2)所制碳骨架分散于500ml无水乙醇中，超声后加入1g钛酸四丁酯置于60℃水浴中搅拌24h，在碳骨架的片层上及孔径内水解反应生成纳米二氧化钛前驱体；
(4)将步骤(3)所得水解产物在管式炉中通氩气800℃处理2h，得到片状交联结构的二氧化钛-碳复合材料。所得产品的电学性能检测见表1。
实施例2
(1)取100ml浓度3g/L的氧化石墨烯分散液，同时加入4.8g蔗糖与0.3g硫脲，1000rmin-1磁力搅拌4h反应后获得均质混合溶液，将该均质混合溶液200℃处理14h，形成有元素掺杂的交联态碳材料；
(2)取0.5g步骤(1)所制得碳材料，与2.5g氢氧化钠混合均匀，将该混合物600℃处理3h，形成多孔片状交联结构的碳骨架；
(3)取0.2g步骤(2)所制碳骨架分散于500ml无水乙醇中，超声后加入1.2g钛酸四丙酯置于60℃水浴中搅拌24h，在碳骨架的片层上及孔径内水解反应生成纳米二氧化钛前驱体；
(4)将步骤(3)所得水解产物在管式炉中通氮气800℃处理4h，得到片状交联结构的二氧化钛-碳复合材料。所得产品的电学性能检测见表1。
实施例3
(1)取100ml浓度2g/L的氧化石墨烯溶液，同时加入4g酚醛树脂与0.3g尿素，800rmin-1磁力搅拌4h反应后获得均质混合溶液，将该均质混合溶液180℃处理16h，形成有元素掺杂的交联态碳材料；
(2)取0.5g步骤(1)所制得碳材料，与3g碳酸钾混合均匀，将该混合物500℃处理3h，形成多孔片状交联结构的碳骨架；
(3)取0.2g步骤(2)所制碳骨架分散于500ml无水乙醇中，超声后加入0.8g钛酸四乙酯置于45℃水浴中搅拌24h，在碳骨架的片层上及孔径内水解反应生成纳米二氧化钛前驱体；
(4)将步骤(3)所得水解产物在管式炉中通氦气600℃处理2h，得到片状交联结构的二氧化钛-碳复合材料。所得产品的电学性能检测见表1。
实施例4
(1)取100ml浓度2g/L的氧化石墨烯溶液，同时加入4g环氧树脂与0.6g硫脲，1000rmin-1磁力搅拌3h反应后获得均质混合溶液，将该均质混合溶液180℃处理14h，形成有元素掺杂的交联态碳材料；
(2)取0.5g步骤(1)所制得碳材料，与2g碳酸钠混合均匀，将该混合物800℃处理1h，形成多孔片状交联结构的碳骨架；
(3)取0.2g步骤(2)所制碳骨架分散于500ml无水乙醇中，超声后加入1.6g钛酸四丁酯置于45℃水浴中搅拌24h，在碳骨架的片层上及孔径内水解反应生成纳米二氧化钛前驱体；
(4)将步骤(3)所得水解产物在管式炉中通氖气800℃处理3h，得到片状交联结构的二氧化钛-碳复合材料。所得产品的电学性能检测见表1。
实施例5
(1)取100ml浓度3g/L的氧化石墨烯溶液，同时加入4.5g蔗糖与0.6g三聚氰胺，900rmin-1磁力搅拌3h反应后获得均质混合溶液，将该均质混合溶液200℃处理12h，形成有元素掺杂的交联态碳材料；
(2)取0.5g步骤(1)所制得碳材料，与2.5g氢氧化钾混合均匀，将该混合物600℃处理2h，形成多孔片状交联结构的碳骨架；
(3)取0.2g步骤(2)所制碳骨架分散于500ml无水乙醇中，超声后加入1g钛酸四丁酯置于45℃水浴中搅拌20h，在碳骨架的片层上及孔径内水解反应生成纳米二氧化钛前驱体；
(4)将步骤(3)所得水解产物在管式炉中通氩气600℃处理3h，得到片状交联结构的二氧化钛-碳复合材料。所得产品的电学性能检测见表1。
实施例6
(1)取100ml浓度4g/L的氧化石墨烯溶液，同时加入6g蔗糖与0.4g硫脲，800rmin-1磁力搅拌4h反应后获得均质混合溶液，将该均质混合溶液200℃处理12h，形成有元素掺杂的交联态碳材料；
(2)取0.5g步骤(1)所制得碳材料，与3g氢氧化钾混合均匀，将该混合物700℃处理2h，形成多孔片状交联结构的碳骨架；
(3)取0.2g步骤(2)所制碳骨架分散于500ml无水乙醇中，超声后加入1.6g钛酸四丁酯置于60℃水浴中搅拌24h，在碳骨架的片层上及孔径内水解反应生成纳米二氧化钛前驱体；
(4)将步骤(3)所得水解产物在管式炉中通氩气700℃处理3h，得到片状交联结构的二氧化钛-碳复合材料。所得产品的电学性能检测见表1。
对比例1
(1)取4g蔗糖与0.2g硫脲，800rmin-1磁力搅拌2h反应后获得均质混合溶液，将该均质混合溶液180℃处理12h，形成有元素掺杂的碳材料；
(2)取0.5g步骤(1)所制得碳材料，与2g氢氧化钾混合均匀，将该混合物500℃处理2h，形成无规则大块状碳材料；
(3)取0.2g步骤(2)所制碳材料分散于500ml无水乙醇中，超声后加入1g钛酸四丁酯置于60℃水浴中搅拌24h，在碳材料上水解反应生成二氧化钛前驱体；
(4)将水解产物在管式炉中通氩气800℃处理2h，得到无规则大块状二氧化钛-碳复合材料。所得产品的电学性能检测见表1。
对比例2
(1)取100ml浓度2g/L的氧化石墨烯溶液，同时加入4g蔗糖与0.2g硫脲，800rmin-1磁力搅拌2h反应后获得均质混合溶液，将该均质混合溶液180℃处理12h，形成有元素掺杂的交联态碳材料；
(2)取0.2g步骤(1)所制碳材料分散于500ml无水乙醇中，超声后加入1g钛酸四丁酯置于60℃水浴中搅拌24h，生成二氧化钛前驱体；
(3)将步骤(2)所得水解产物在管式炉中通氩气600℃处理2h，得到微米二氧化钛碳材料。所得产品的电学性能检测见表1。
对比例3
(1)取2000ml浓度2g/L的氧化石墨烯溶液、取0.2g硫脲，800rmin-1磁力搅拌2h反应后获得均质混合溶液，将该均质混合溶液180℃处理12h，形成有元素掺杂的碳材料；
(2)取0.2g步骤(1)所制碳材料分散于500ml无水乙醇中，超声后加入1g钛酸四丁酯置于60℃水浴中搅拌24h，在碳材料上水解反应生成二氧化钛前驱体；
(3)将水解产物在管式炉中通氩气800℃处理2h，得到无规则团聚态的大块状的二氧化钛-碳复合材料。对比例3的成本是实施例2成本的2倍。所得产品的电学性能检测见表1。
为检测本发明二氧化钛-碳复合材料用作锂离子电池负极材料的性能，用半电池测试方法测试，在电池测试系统进行恒流充放电实验，充放电电压限制在0.01～3V，用计算机控制的充放电柜进行数据的采集及控制，得到的数据如表1所示。
表1

Claims (10)

1.一种锂离子电池负极材料，其特征在于：所述负极材料包括二氧化钛纳米颗粒和多孔片状交联结构的碳骨架，所述纳米二氧化钛颗粒均匀地分散在碳材料片层上及孔径之中。
2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极材料，其特征在于：所述纳米二氧化钛颗粒的粒径为5nm～50nm，所述碳骨架的孔径大小为50nm～100nm，片层厚度为0.5～2μm。
3.根据权利要求1所述的一种锂离子电池负极材料，其特征在于：所述碳骨架含有掺杂原子，所述掺杂原子选自氮、硫、磷中的至少一种。
4.一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一
以氧化石墨烯作为第一碳源，以A作为第二碳源、以B作为掺杂源；将氧化石墨烯、A、B加入溶剂中混合均匀后，在均质状态下于160～200℃进行反应，得到有元素掺杂的交联态碳材料；所述A为可溶性糖类或可溶性树脂类；所述B中含有掺杂元素，所述掺杂元素选自除碳、氢、氧外的任意一种元素；
步骤二
按质量比，碱性化合物/有元素掺杂的交联态碳材料大于等于3的比例配取碱性化合物和步骤一所得的有元素掺杂的交联态碳材料；将二者混合均匀后，在保护气氛下，进行高温热处理，形成多孔片状交联结构的碳骨架；所述高温热处理时，控制温度大于等于500℃；
步骤三
按质量比，含钛有机物/多孔片状交联结构的碳骨架大于等于4的比例，配取步骤二所得多孔片状交联结构的碳骨架和含钛有机物；先将配取的多孔片状交联结构的碳骨架均匀分散于溶剂C中，得到混合物D，然后将配取的含钛有机物加入到混合物D中，在搅拌条件下于60℃以下反应，得到含二氧化钛前驱体的碳骨架；
步骤四
在保护气氛下，对步骤三所得含二氧化钛前驱体的碳骨架进行热处理；得到所述锂离子电池负极材料；进行热处理时，控制温度大于等于600℃。
5.根据权利要求4所述的一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：步骤一中；
所述第一碳源为氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯分散液；
所述A选自蔗糖、葡萄糖、果糖、酚醛树脂、环氧树脂、多巴胺中的至少一种；
所述B选自尿素、硫脲、三聚氰胺、植酸、乙二胺、三乙醇胺中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：步骤一中；
所述氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯的浓度为1～5g/L；
所述氧化石墨烯溶液或氧化石墨烯分散液中，氧化石墨烯的片层大小为500nm～5μm，所述氧化石墨烯的含氧量为40～60wt％。
7.根据权利要求5所述的一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：
步骤一中；按质量比，第一碳源：第二碳源：掺杂源＝1:15:1～1:25:3配取氧化石墨烯、A、B加入溶剂中，搅拌2～6h，得到混合均匀的液体E，液体E在160～200℃进行反应10～16h，得到有元素掺杂的交联态碳材料；所述搅拌包括机械搅拌、磁力搅拌中的至少一种，搅拌时控制转速为500～1000rmin-1；所述溶剂选自去离子水、无水乙醇、甲醇、丙醇中的至少一种。
8.根据权利要求4所述的一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：步骤二中，按质量比，碱性化合物/有元素掺杂的交联态碳材料＝3～6的比例配取碱性化合物和步骤一所得的有元素掺杂的交联态碳材料；将二者混合均匀后，在保护气氛下，进行高温热处理，形成多孔片状交联结构的碳骨架；
所述碱性化合物选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾中的至少一种；
高温热处理时，控制温度为500～800℃、时间为1～3h。
9.根据权利要求4所述的一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：步骤三中，按质量比，含钛有机物/多孔片状交联结构的碳骨架＝4～8的比例，配取步骤二所得多孔片状交联结构的碳骨架和含钛有机物；先在超声条件下将配取的多孔片状交联结构的碳骨架均匀分散于溶剂C中，得到混合物D；停止超声，然后在搅拌条件下，将配取的含钛有机物加入到混合物D中反应18～24h；反应时，控制体系的温度为45～60℃；所述超声的频率为40kHz-80kHz、时间为1-4h；所述搅拌的转速为500～1000转/min；
所述溶剂C选自无水乙醇、异丙醇、甲醇中的至少一种；
所述混合物D中，多孔片状交联结构的碳骨架材料的浓度为0.2～0.4g/L；
所述含钛有机物选自钛酸四乙酯、钛酸四丙酯、钛酸四丁酯中的至少一种。
10.根据权利要求4所述的一种锂离子电池负极材料的制备方法，其特征在于：步骤四中，热处理温度为600～800℃，处理时间为2～4h。
CN201710288801.6A 2017-04-27 2017-04-27 一种锂离子电池负极材料及其制备方法 Active CN106887580B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710288801.6A CN106887580B (zh) 2017-04-27 2017-04-27 一种锂离子电池负极材料及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710288801.6A CN106887580B (zh) 2017-04-27 2017-04-27 一种锂离子电池负极材料及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106887580A true CN106887580A (zh) 2017-06-23
CN106887580B CN106887580B (zh) 2019-09-13

Family

ID=59183255

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710288801.6A Active CN106887580B (zh) 2017-04-27 2017-04-27 一种锂离子电池负极材料及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106887580B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109455701A (zh) * 2018-09-10 2019-03-12 北京理工大学 一种高效产氢的高掺杂氮磷碳纳米片的制备方法
CN110627033A (zh) * 2018-06-22 2019-12-31 武汉大学 氮、硫共掺杂多级多孔碳复合材料及其制备方法和应用
CN110937668A (zh) * 2019-12-03 2020-03-31 中南大学 一种氮磷原子共掺杂的cdi活性材料及其制备和应用

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103151532A (zh) * 2013-03-01 2013-06-12 北京化工大学常州先进材料研究院 一种用于金属空气电池的新型空气电极
CN103977780A (zh) * 2014-06-06 2014-08-13 黑龙江大学 两步水热法制备介孔碳负载TiO2光催化材料的方法
CN105206814A (zh) * 2015-09-25 2015-12-30 北京理工大学 一种高性能锂离子电池负极材料多孔碳包覆暴露(001)活性晶面二氧化钛纳米立方体的制备方法
CN105617991A (zh) * 2016-03-03 2016-06-01 广西大学 一种H-TiO2N-G/C双功能催化吸附材料及其制备方法和应用

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103151532A (zh) * 2013-03-01 2013-06-12 北京化工大学常州先进材料研究院 一种用于金属空气电池的新型空气电极
CN103977780A (zh) * 2014-06-06 2014-08-13 黑龙江大学 两步水热法制备介孔碳负载TiO2光催化材料的方法
CN105206814A (zh) * 2015-09-25 2015-12-30 北京理工大学 一种高性能锂离子电池负极材料多孔碳包覆暴露(001)活性晶面二氧化钛纳米立方体的制备方法
CN105617991A (zh) * 2016-03-03 2016-06-01 广西大学 一种H-TiO2N-G/C双功能催化吸附材料及其制备方法和应用

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110627033A (zh) * 2018-06-22 2019-12-31 武汉大学 氮、硫共掺杂多级多孔碳复合材料及其制备方法和应用
CN109455701A (zh) * 2018-09-10 2019-03-12 北京理工大学 一种高效产氢的高掺杂氮磷碳纳米片的制备方法
CN110937668A (zh) * 2019-12-03 2020-03-31 中南大学 一种氮磷原子共掺杂的cdi活性材料及其制备和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN106887580B (zh) 2019-09-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104009236B (zh) 一种钛酸锂介孔单晶纳米颗粒/还原氧化石墨烯复合材料及其制备方法和应用
CN104966824A (zh) 一种基于壳聚糖及其衍生物氮掺杂多孔碳球-氧化钴纳米复合负极材料及其制备方法
CN105336940B (zh) 一种钛酸钠纳米线/石墨烯复合负极材料及其制备方法
CN109244418B (zh) 表面包覆的锂离子电池正极材料、制备方法和锂离子电池
TW201351765A (zh) 碳系／活性物質複合物及其製造方法
CN113104852B (zh) 一种锂离子电池硅碳负极材料的制备方法
CN103387268B (zh) 一种用于超级电容器电极材料的纳米氧化镍的制备方法及其制备的纳米氧化镍
CN107359328A (zh) 一种锂离子电池用葡萄状氧化铌/碳复合电极材料的制备方法
CN107611359A (zh) 锂离子电池Ni‑NiO/石墨烯复合负极材料的制备方法
CN110350170A (zh) 一种钛酸锂/石墨烯复合材料的制备方法
CN105198007A (zh) 一种介孔四氧化三钴纳米片的制备及剥离方法
CN106887580B (zh) 一种锂离子电池负极材料及其制备方法
CN106058182B (zh) 一种倍率性能良好的钛酸锂/聚苯胺复合材料的制备方法
CN113511647A (zh) 一种镍基金属有机框架衍生的二硒化镍/还原氧化石墨烯复合材料的制备方法
CN108492996A (zh) 一种氟、氮共掺杂的类石墨烯片层材料的制备方法
CN112490017A (zh) 一种NiCo-LDH纳米材料的制备方法及其应用
CN104393275A (zh) 一种碳包覆钛酸锂电池材料的制备方法
CN106531986A (zh) 一种氮化钛/氮化硅/氮化碳/石墨烯复合纳米材料及其制备方法
CN113571681B (zh) 一种空心二氧化钛/镍/碳复合材料及其制备方法和应用
CN107317019B (zh) 一种钠离子电池负极用碳酸亚铁/石墨烯复合材料及其制备方法与应用
CN117476858A (zh) 一种改性硫酸铁钠正极材料及其制备方法和应用
CN112670494A (zh) 一种钒酸盐电极材料及其制备方法和应用
CN114944480B (zh) 一种蜂窝状多孔锡碳复合材料的制备方法
CN113851620B (zh) 多级异质结构的钾离子电池负极复合材料及其制备方法
CN113097473B (zh) 一种纳米结构锐钛矿二氧化钛及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20230711

Address after: 672100 East of Industrial Avenue, Yanpo Area, Fortune Industrial Park, Xiangcheng Town, Xiangyun County, Dali Bai Autonomous Prefecture, Yunnan Province

Patentee after: Dali Chenyu energy storage new material Co.,Ltd.

Address before: Yuelu District City, Hunan province 410083 Changsha Lushan Road No. 932

Patentee before: CENTRAL SOUTH University