[發明專利]一種ZrC@洋蔥狀碳/無定形碳納米復合物及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201710018814.1
• 申請日: 2017-01-11
• 公開（公告）號: CN106602033A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 劉先國;孫玉萍;趙成云;夏愛林
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/583;H01M4/587;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所32207
• 代理人: 蔣海軍

技術領域

本發明屬于材料制備技術領域，具體涉及一種ZrC@洋蔥狀碳/無定形碳納米復合物及其制備方法和應用。

背景技術

隨著人們對能源的需求日益增長、化石燃料儲量的降低以及環境污染的加劇，開發清潔高效的新型能源成為人們關注的熱點。鋰電子電池作為一種能量存儲裝置，以其環保、輕便、高容量、長壽命等特點被廣泛應用在小型便攜設備中。鋰離子電池正負極材料是決定其性能的核心因素。目前商業化的負極材料主要是石墨材料，它的理論比容量只有372mAh/g，已不能滿足人們對電池性能的需求。因此，研究和開發新型鋰離子電池負極材料具有重要意義。

過渡族金屬碳化物雖然擁有無毒、儲量豐富、低成本和優異催化性能等優勢，但是由于其具有理論上較小的比容量，過渡族金屬碳化物長期無法用作鋰離子電池的負極材料。2012年，Su et al首先報道了核殼結構Fe@Fe₃C/C納米復合物具有穩定的放電電容量～500mAh/g,證明了其作為鋰離子電池負極材料的潛力。盡管，Fe和Fe₃C對于Li⁺插層幾乎無活性，但是作者指出Fe₃C作為催化劑，能促進固態電解質界面(SEI)膜的形成/分解過程可逆，從而提升了碳基負極的電化學性能。(L.Su,Z.Zhou,P.Shen.Core-shell Fe@Fe₃C/C nanocomposites as anode materials for Li ion batteries.Electrochimica Acta 87(2013)180-185)。眾所周知，阻礙碳化物作為鋰離子電池負極材料，還有如下兩個障礙：(1)在重復循環過程中的體積膨脹/收縮；(2)碳化物的低導電性。目前針對以上兩個問題的研究，主要分為三種途徑解決：(1)材料的納米化；(2)活性材料的復合化；(3)納米復合材料。其中第三種途徑在研究中應用最廣泛，其中在基材的選擇中，由于碳材料結構穩定，在充放電過程中體積變化相對較小，并且導電性和熱、化學穩定性好，具有一定的比容量，因此受到了廣泛關注。通常情況下，納米復合物中的碳組分具有雙重功能：作為導電添加劑促進碳化物的電子輸運性和作為彈性緩沖層增強電極結構穩定性。

國內外很多學者致力于過渡族金屬碳化物/碳復合材料的制備方法研究，簡介如下：

中國發明專利“碳包金屬、碳包金屬碳化物納米微粉的合成方法”(專利號:CN99120144.2)采用交流電弧法，利用碳和金屬在真空自耗電極電弧爐中通過等離子體放電同時蒸發，經化學反應生成碳包金屬或金屬碳化物納米微粉。

中國發明專利“包含分散于其中的金屬碳化物顆粒的碳復合材料及其制備方法”(專利號:200580012680.8)涉及碳復合材料，所述碳復合材料包含分散在碳、碳纖維或碳/碳纖維基體中的金屬碳化物顆粒且不含游離金屬顆粒，其中金屬碳化物顆粒在至少顆粒表面或者整個顆粒為金屬碳化物，由金屬源(即選自金屬顆粒、金屬氧化物顆粒或復合金屬氧化物顆粒中的至少一種)和碳源(即熱固性樹脂)在原位合成。

中國發明專利“一種炭基金屬氮化物、碳化物超電容材料的制備方法”(專利號：200710022253.9)將原材料通過凝膠反應獲得水凝膠前軀體，所得水凝膠在氮化氣體或氫氣作用下經常壓干燥和碳化，制得炭基過渡金屬氮化物、碳化物超電容材料。

中國發明專利“一種C/Fe₃C鋰離子電池負極材料及其制備方法”(專利號:201010532415.5)對原材料使用有機溶劑中熱聚合，獲得前軀體，然后在氬氣氣氛保護下，進行熱處理，獲得C/Fe₃C復合物，其由非晶碳和Fe₃C組成。

中國發明專利“洋蔥碳負載過渡金屬碳化物納米復合物的制備方法”(專利號:201010600970.7)將原材料按比例裝入密閉的反應釜中，通過加熱反應釜，采用引發劑輔助的化學氣相沉積法一步反應得到洋蔥碳負載過渡金屬碳化物的納米復合物。

中國發明專利“一種制備金屬碳化物或碳包覆金屬碳化物的方法”(專利號：201210562395.5)將金屬鹽粉末在高溫焙燒形成金屬氧化物前驅物，以液態含碳化合物作為液態碳源與金屬氧化物前驅物進行還原和碳化反應而制備金屬碳化物或碳包覆金屬碳化物。