一种金属氧化物/碳互插层二维复合材料在锂离子电池负极材料中的应用的制作方法

技术特征：
1.一种金属氧化物/碳互插层二维复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料包括金属氧化物层和位于所述金属氧化物层之间的碳层，所述碳层与所述金属氧化物层相互穿插。优选地，所述金属氧化物选自碱土-过渡金属氧化物和类金属氧化物，例如为钙、铝、硅、锂、镍、钴、钡、钛、铌、钌、钒、钨、钽、铪、锆、铬、钼、锰、镧、铈、镨、钕、钪、钇、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥等元素的氧化物中的一种、两种或更多种；优选地，所述金属氧化物可以选自含有一种、两种或更多种上述元素的碱土-过渡金属氧化物和类金属氧化物；示例性地，所述金属氧化物选自二氧化钛、氧化铌、氧化镧、氧化钨、氧化钒、钙钛矿型的镧钛氧化物、天然的蒙脱土中的一种、两种或更多种。优选地，所述碳层中的碳材料为有机分子(包括高分子)通过插层到层状金属氧化物中，然后通过聚合反应、碳化反应等在金属氧化物层状材料中形成的二维碳基材料；优选地，所述碳层为全碳或者含有其他掺杂的碳基材料。示例性地，碳层为二维类石墨、二维碳基纳米片材料(单层石墨烯，多层石墨烯、氮掺杂石墨烯、氮以及硫掺杂石墨烯、非晶态层状碳、以及其他氮或者硫等掺杂的非晶态片状碳材料中的一种、两种或更多种。优选地，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料的重复单元厚度为0.5-5nm。优选地，所述重复单元由一个金属氧化物层和一个碳层组成。优选地，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料的层与层之间基本重叠排列，或者层与层之间交错排列。3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料的厚度为20纳米-50微米。优选地，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料的比表面积为10-480m2/g。优选地，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料为金属氧化物/类石墨互插层二维复合材料、高岭土/碳二维复合材料、或蒙托土/碳二维复合材料；示例性地为层状tio2/类石墨二维复合材料、tio2纳米片/类石墨二维复合材料或蒙托土/碳二维复合材料。4.根据权利要求1-3任一项所述的应用，其特征在于，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料的制备过程包括如下步骤：(1)金属氧化物二维材料与含有氨基的有机物经插层反应或表面修饰反应，在所述金属氧化物二维材料的层间或其表面引入有机分子层，得到有机分子层/金属氧化物二维复合材料；(2)步骤(1)得到的所述有机分子层/金属氧化物二维复合材料经过炭化处理，得到所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料；或者，(3)步骤(1)得到的所述有机分子层/金属氧化物二维复合材料经聚合反应后，得到高分子层/金属氧化物二维复合材料；所述高分子层/金属氧化物二维复合材料经过炭化处理，得到所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料。5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，任选地，步骤(1)插层反应或表面修饰反应、步骤(3)聚合反应完成后，采用离心、过滤、干燥等分离以及后处理方法得到固体粉末。优选地，所述制备方法还包括步骤(4)：步骤(2)以及步骤(3)得到的金属氧化物/碳互插层二维复合材料进行酸洗。
6.根据权利要求1-5任一项所述的应用，其特征在于，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料经过再处理后，用于锂离子电池的负极材料中。优选地，所述再处理包括碳包裹过程、热处理过程、预锂化过程、离子交换等至少一种再处理过程，以改变二维金属氧化物(即金属氧化物层)和/或二维碳材料(即碳层)的形状、结晶度和/或组成。7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述碳包裹过程选自将所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料在糖溶液中进行水热处理，或者采用糖溶液浸渍法对所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料进行处理。优选地，所述糖溶液中的糖选自蔗糖、葡萄糖和果糖中的至少一种。优选地，所述糖溶液浸渍法包括将糖溶液与金属氧化物/碳二维复合材料混合、干燥后，在惰性气氛或者还原气氛下烧结。优选地，所述热处理包括将所述金属氧化物/碳二维复合材料直接烧结。优选地，预锂化处理指在负极组装过程中，加入含有锂金属的颗粒、锂片、或者其他含有锂金属的物质共同构筑负极的过程。优选地，所述离子交换包括将金属氧化物/碳二维复合材料与金属离子水溶液混合反应，在金属氧化物/碳界面引入金属离子。8.一种锂离子电池负极，其特征在于，所述负极含有权利要求1-5任一项所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料和/或权利要求6或7所述再处理后的金属氧化物/碳互插层二维复合材料。优选地，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料单独作为锂离子电池的负极材料；或者，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料与其他材料共混作为锂离子电池的负极材料。优选地，所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料与其他材料的质量比为(1-99):(99-1)，例如(5-95):(95-5)、(10-90):(90-10)。优选地，所述其他材料选自导电性的碳材料、粘结剂、石墨、硅碳材料中的至少一种。9.一种锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池含有权利要求1-5任一项所述金属氧化物/碳互插层二维复合材料、权利要求6或7所述再处理后的金属氧化物/碳互插层二维复合材料、和/或权利要求8所述的负极。10.根据权利要求9所述的锂离子电池，其特征在于，所述锂离子电池为软包锂电池、圆柱形锂电池、扣式锂电池或全固态锂电池。

技术总结
本发明公开一种金属氧化物/碳互插层二维复合材料在锂离子电池负极材料中的应用。金属氧化物/碳互插层二维复合材料包括金属氧化物层和位于所述金属氧化物层之间的碳层，所述碳层与所述金属氧化物层相互穿插。通过对于层状金属氧化物的碳纳米片插层，改变材料的储锂方式，由原来的嵌入式储锂变成金属氧化物/碳界面的电容性储锂，同时碳纳米片的嵌入，大大提升了材料的电导率、热导率、以及物理稳定性，这种材料的开发，对于锂离子电池电极材料的在容量提升、充放电速度、安全性、以及循环稳定性上均有显著提升，是一种新型的锂离子电极材料。是一种新型的锂离子电极材料。是一种新型的锂离子电极材料。


技术研发人员：申仲荣 张明
受保护的技术使用者：厦门稀土材料研究所
技术研发日：2020.07.24
技术公布日：2022/1/25