阅读说明：本技术 TiO2(B)@RGO气凝胶负极材料的制备与应用 (TiO2(B) Preparation and application of @ RGO aerogel negative electrode material ) 是由 王强 何峻 于 2020-07-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种TiO<Sub>2</Sub>(B)@RGO气凝胶复合材料作为锂离子电池负极材料的制备与应用。用溶剂热法和改进的Hummers法制备花球状TiO2(B)和氧化石墨烯,使用超声辅助混合法将花球状TiO2(B)与氧化石墨烯混合均匀,在还原剂的作用下合成TiO<Sub>2</Sub>(B)@RGO水凝胶复合材料。冷冻干燥后得到TiO<Sub>2</Sub>(B)@RGO气凝胶复合材料,将TiO<Sub>2</Sub>(B)@RGO气凝胶作为锂离子电池负极材料进行电化学测试。本发明制得的TiO<Sub>2</Sub>(B)@RGO气凝胶具有良好的比容量和倍率性能。(The invention discloses a TiO2 2 (B) Preparation and application of a @ RGO aerogel composite material as a lithium ion battery cathode material. Preparing flower-ball-shaped TiO2(B) and graphene oxide by a solvothermal method and an improved Hummers method, uniformly mixing the flower-ball-shaped TiO2(B) with the graphene oxide by using an ultrasonic-assisted mixing method, and synthesizing the TiO under the action of a reducing agent 2 (B) @ RGO hydrogel composites. Freeze drying to obtain TiO 2 (B) @ RGO aerogel composite material prepared by mixing TiO 2 (B) And the @ RGO aerogel is used as a lithium ion battery cathode material for electrochemical test. TiO prepared by the invention 2 (B) The @ RGO aerogel has good specific capacity and rate capability.)

TiO2(B)@RGO气凝胶负极材料的制备与应用

技术领域

本发明涉及一种TiO2(B)@RGO气凝胶复合材料作为锂离子电池负极材料的制备与应用。

背景技术

随着社会的发展，人们对能源的需求与日俱增。一方面，化石能源的储量越来越少，过度的开采会导致化石能源的枯竭；另一方面，在使用化石能源的过程中会产生温室气体，导致全球变暖等气候问题，开发一种可持续无污染的清洁能源迫在眉睫。目前，锂离子电池作为能源供应装置受到了广泛的研究与关注。

锂离子电池作为新能源的代表，相较于传统化石能源有着不可比拟的优势，即：锂在地壳中含量丰富，能满足人们长时间的使用；锂离子电池在使用过程中不会对环境造成污染；锂离子电池可以长期重复使用。锂离子电池在未来的能源开发中具有良好的前景，制约锂离子电池性能的关键在于电极材料的性能。在讲究高效的今天，快速充放电变得尤为重要，这就需要研发在高倍率下充放电具有高容量的负极材料。TiO2(B)作为锂离子电池的负极材料有较高的比容量，循环稳定性好，并且在改性后具有良好的倍率性能。

发明内容

基于上述问题，本发明提供了一种TiO2(B)@RGO气凝胶复合材料的制备与应用，制备的TiO2(B)@RGO气凝胶复合材料能够提升锂离子电池的容量，并且具有成本低、无污染的优点。

本发明的TiO2(B)@RGO气凝胶复合材料作为锂离子电池负极材料的制备，其特征在于，包括以下步骤：

1) 将一定量的三氯化钛溶液TiCl₃、去离子水依次加入到乙二醇溶液中，搅拌2min得到混合均匀的淡紫色溶液；

2）将淡紫色溶液转移到50ml的聚四氟乙烯高压反应釜中进行溶剂热反应；

3）反应结束后，进行离心洗涤，然后放在烘箱中干燥处理后得到TiO₂(B)粉末；

4）将得到的TiO₂(B)粉末置于管式炉中进行升温处理，去除表面残留的有机分子；

5）称取一定量的石墨粉，K₂S₂O₈和P₂O₅加入到50ml烧杯中，将一定量浓硫酸缓慢加入烧杯中并不断搅拌，在真空干燥箱中干燥处理得到预氧化石墨粉；

6）将预氧化石墨粉离心洗涤至中性，放在干燥箱中进行烘干处理；

7）将干燥后的预氧化石墨粉倒入500ml的烧杯中，冰浴，在烧杯中加入一定量的浓硫酸，然后缓慢加入一定量的高锰酸钾，进行低温氧化；

8）将混合物升温至室温，反应一定时间，进行中温氧化；

9）缓慢向混合物中加入一定量的去离子水，将混合物升温至高温，反应一定时间，进行高温氧化；

10）向混合物中加入一定量的去离子水同时加入一定量的双氧水，直至溶液呈现金黄色；

11）将金黄色溶液离心洗涤至中性，烘干得到氧化石墨烯；

12）称取一定量氧化石墨烯置于玻璃瓶中，加入一定量去离子水，超声10min得到氧化石墨烯分散液；

13）称取一定量TiO₂(B)粉末置于上述氧化石墨烯分散液中，超声5分钟使其混合均匀，得到含有TiO₂(B)和氧化石墨烯的棕黄色分散液；

14）再向步骤（13）得到的含有TiO₂(B)和氧化石墨烯的棕黄色分散液中加入一定量的抗坏血酸作为还原剂，在真空干燥箱中反应得到TiO₂(B)还原氧化石墨烯水凝胶；

15）将得到的上述水凝胶冷冻干燥后得到TiO₂(B)/RGO气凝胶；

16）将TiO₂(B)/RGO气凝胶作为锂离子电池负极材料进行电化学测试。

进一步，所述步骤2）中溶剂热反应温度为150℃，反应时间为24h。

进一步，所述步骤4）中管式炉升温处理的升温速率为3℃/min，升温至350℃，保温时间为2h。

进一步，所述步骤7）中冰浴温度为3-7℃，反应时间为30min。

进一步，所述步骤8）中室温的温度为35℃，反应时间为2h。

进一步，所述步骤9）中高温的温度为95℃，反应时间为30min。

进一步，所述步骤12）中氧化石墨烯分散液的浓度大于2.5mg/ml。

进一步，所述步骤13）中含有TiO₂(B)和氧化石墨烯的棕黄色分散液中TiO2(B)与氧化石墨烯的质量比为9:1。

进一步，所述步骤14）中真空干燥箱反应温度为95℃，反应时间为6h。

本发明的有益效果在于：本发明利用超声辅助法和水热法混合TiO₂(B)和GO成功制备出了TiO₂(B)@RGO气凝胶。得到的TiO₂(B)@RGO气凝胶复合材料能使TiO₂(B)均匀分散在RGO气凝胶三维网状结构中，有益于减少纳米TiO₂(B)的团聚，增加电解液的接触面积，减少锂离子的扩散距离；气凝胶结构有益于缓解锂离子在脱嵌过程中带来的体积膨胀；RGO良好的导电性能提升电极的电子电导率。本发明制备的TiO₂(B)@RGO气凝胶具有较高的比容量和良好的倍率性能，能够有效的提升锂离子电池快速充放电能力和使用时间。

附图说明

为了使本发明的目的和优点更加清晰，下面结合附图对本发明做进一步的详细描述，其中：

图1为实施例1所得TiO₂(B)@RGO气凝胶的场发射扫描电镜图。

图2为实施例1所得TiO₂(B)@RGO气凝胶的XRD图。

图3为实施例1所得TiO₂(B)@RGO气凝胶的XPS图。

图4为实施例2所述TiO₂(B)@RGO气凝胶的充放电曲线图。

图5为实施例2所述TiO₂(B)@RGO气凝胶的倍率性能图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

实施例1的TiO₂(B)@RGO气凝胶材料的制备，包括以下步骤：

1) 将一定量的三氯化钛溶液（TiCl₃），去离子水依次加入到乙二醇溶液中，搅拌2min得到混合均匀的淡紫色溶液；

2）将淡紫色溶液转移到50ml的聚四氟乙烯高压反应釜中进行溶剂热反应；

3）反应结束后，进行离心洗涤，然后放在烘箱中干燥处理后得到TiO₂(B)粉末；

4）将得到的TiO₂(B)粉末置于管式炉中，去除表面残留的有机分子；

5）称取一定量的石墨粉，K₂S₂O₈和P₂O₅加入到50ml烧杯中，将一定量浓硫酸缓慢加入烧杯中并不断搅拌，在真空干燥箱中干燥处理得到预氧化石墨粉；

6）将预氧化石墨粉离心洗涤至中性，放在干燥箱中进行烘干处理；

7）将干燥后的预氧化石墨粉倒入500ml的烧杯中，冰浴，在烧杯中加入一定量的浓硫酸，然后缓慢加入一定量的高锰酸钾，进行低温氧化；

8）将混合物升温至室温，反应一定时间，进行中温氧化；

9）缓慢向混合物中加入一定量的去离子水，将混合物升温至高温，反应一定时间，进行高温氧化；

10）向混合物中加入一定量的去离子水同时加入一定量的双氧水，直至溶液呈现金黄色；

11）将金黄色溶液离心洗涤至中性，烘干得到氧化石墨烯；

12）称取一定量氧化石墨烯置于玻璃瓶中，加入一定量去离子水，超声10min得到棕黄色分散液；

13）称取一定量TiO₂(B)粉末置于棕黄色分散液中，超声5分钟使其混合均匀；

14）向棕黄色分散液中加入一定量的抗坏血酸作为还原剂，在真空干燥箱中反应得到TiO₂(B)还原氧化石墨烯水凝胶；

15）将得到的水凝胶冷冻干燥后得到TiO₂(B)/RGO气凝胶。

图1为实施例1 TiO₂(B)@RGO气凝胶的场发射扫描电镜图；由图可知，我们成功合成了TiO₂(B)@RGO气凝胶，从图1A中我们可以看到RGO气凝胶形成了三维网状结构，抑制TiO₂(B)的团聚，同时在脱嵌锂过程中缓解TiO₂(B)的体积膨胀，有利于提升TiO₂(B)的电化学性能；图1B中我们能观察到TiO₂(B)的形貌为花球状。

图2为实施例1 TiO₂(B)@RGO气凝胶的XRD图；由图可知，TiO₂(B)被成功制备出来，在XRD图中并未出现RGO的峰，我们知道碳的峰很弱并且在25°附近，与TiO₂(B)的衍射峰重合了。

图3为实施例1 TiO₂(B)@RGO气凝胶的XPS图；由图可知，TiO₂(B)@RGO气凝胶中含有Ti、C、O元素，虽然在XRD图中未发现RGO的峰，但XPS说明TiO₂(B)@RGO气凝胶中含有C元素。

实施例2

实施例2的TiO₂(B)@RGO气凝胶作为锂离子电池负极材料的制备与应用，包括以下步骤：

1）取实施例1制备的TiO₂(B)@RGO气凝胶作为活性物质、乙炔黑和粘结剂聚偏四氟乙烯(PVDF)按8:1:1的质量比进行称量放置于研钵中研磨均匀，然后加入适量的1-甲基-2吡咯烷酮(NMP)，研磨成均匀的糊状物质后将其涂抹在面积约为1cm²的铜片基底上，并放置于真空干燥箱中在120℃下干燥12小时，得到负极片；

2）半电池组装：将正极材料（锂片）、隔膜以及步骤（1）中制成的负极片进行纽扣电池的组装，使用的纽扣电池型号为CR2032，隔膜型号为Celgard2400，电解液为1mol/L的LiPF₆溶液为电解质（其中溶质是LiPF6，溶剂为体积比为1:1的氟代碳酸乙烯酯(FEC)与碳酸二甲酯(DMC)）。组装完毕后，将电池移出手套箱，常温下静置6小时后在Land测试系统上进行电化学性能的测试，测试电压范围为1.0~3V。

图4为实施例2 TiO₂(B)@RGO气凝胶的充放电曲线图；由图可知，该材料作为锂离子电池负极时拥有较高的比容量和倍率性能，充放电平台较缓，有很好的商业应用价值。

图5为实施例2 TiO₂(B)@RGO气凝胶的倍率性能图；由图可知，该材料具有良好的倍率性能，在快速充放电领域巨大的应用前景。