[發明專利]一種介孔碳緊密包覆型復合材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201610551625.6
• 申請日: 2016-07-13
• 公開（公告）號: CN105932284B
• 公開（公告）日: 2019-01-22
• 發明（設計）人: 張文惠;岳鹿;徐寧;關榮峰
• 申請（專利權）人: 鹽城工學院
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/38;H01M4/48;H01M4/139;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 鄭立發

本發明公開了一種介孔碳緊密包覆型復合材料及其制備方法和應用，所述復合材料是以高容量的材料作為活性物質，以均勻的介孔碳層作為外部包覆的核殼結構所構成的復合結構材料；所述的緊密包覆為介孔碳層把活性物質完全包覆。相對于現有技術，本發明復合材料緊密的包覆以及介空的結構，使得活性材料顆粒在充放電過程中極大的體積膨脹得到有效的抑制，極大的改善了復合材料用作鋰離子電極的循環穩定性。本發明工藝步驟簡單，反應時間短，重復性好，收率高，且成本低廉，具有較好的規模化應用潛力。

技術領域

本發明涉及一種復合材料技術領域，具體涉及一種高性能的介孔碳緊密包覆型復合材料及其制備方法和在鋰離子電池中的應用。

背景技術

鋰離子電池具有開路電壓高、能量密度大、使用壽命長、無記憶效果、少污染以及自放電率小等優點，它在總體性能上優于其它傳統二次電池，一致被認為是各種便攜式電子設備及電動汽車用最為理想的電源。傳統鋰離子電池負極材料石墨雖然循環穩定性好以及性價比較高，但是由于其充放電比容量較低，體積比容量更是沒有優勢，難以滿足動力系統特別是電動車及混合電動車對電池高容量化的要求。因此開發具有高比容量、高充放電效率、長循環壽命的新型鋰離子電池負極材料極具迫切性。

在新型非碳負極材料的研究中，硅、錫、鍺等單質材料，金屬氧化物以及復合金屬氧化物材料因具有較高的理論嵌鋰容量而越來越受矚目。這些高容量的負極材料若能達到實用化程度，必將使鋰離子電池的應用范圍大大拓寬。但是，這些高容量的負極材料大多電導率較低，且在高程度脫嵌鋰條件下，存在嚴重的體積效應，造成電極的循環穩定性較差。針對這些高容量的負極材料的體積效率，將之與具有彈性且性能穩定的載體復合，緩沖硅的體積變化，將是保持高容量的同時提高其循環穩定性的有效途徑。碳包覆是最有效的手段之一。碳材料擁有良好的導電性、彈性，且價格低廉，且容易合成。傳統的碳包覆方法主要有直接混合法和原位包覆法等。相比而言，原位包覆法使得活性納米顆粒的表面包覆更均勻的碳，使得包覆效果更佳。但鑒于納米材料表面較高的活性，一般的原位復合并不一定能完全覆蓋在活性物質的全部表面。在經歷反復脫嵌鋰的循環過程中，碳層的完全、均勻涂覆對進一步改善電極材料的電化學性能至關重要。

發明內容

發明目的：為了解決上述技術問題，本發明提供了一種高性能的介孔碳緊密包覆型復合材料及其制備方法和應用。

技術方案：為了實現上述發明目的，本發明公開了一種介孔碳緊密包覆型復合材料，其是以高容量的材料作為活性物質，以均勻的介孔碳層作為外部包覆的核殼結構所構成的復合結構材料；所述的緊密包覆為介孔碳層把活性物質完全包覆。

作為優選，所述活性物質為納米硅粉、鍺粉、錫粉、納米氧化物粉、納米復合金屬氧化物中的一種或幾種。

作為另一種優選，所述復合材料的尺寸為0.2～2微米，所述活性物質的顆粒粒徑為50～400nm，所述包覆在活性物質外表面的核殼結構厚度為20～100nm。

本發明還提供了所述介孔碳緊密包覆型復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將導電聚合物單體加到去離子水中，分散均勻，得導電聚合物單體溶液；

(2)取上述導電聚合物單體溶液，加入一定量三嵌段聚合物Pluronic127或者P123作為表面活性劑和模板，攪拌溶解，加入一定量植酸溶液，超聲攪拌，再加入活性物質，分散于其中超聲攪拌，然后用鹽酸調節溶液的pH值，冰浴攪拌；

(3)往步驟(2)的水溶液中加入(NH₄)₂S₂O₈的水溶液，保持冰浴條件反應，結束后將混合物抽濾，用去離子水洗滌，干燥，研磨；

(4)將步驟(3)所得到的顆粒在真空或惰性氣氛下高溫燒結，即制備得到高性能介孔碳緊密包覆型復合材料。

具體地，包括以下步驟：