[發明專利]多孔碳骨架-納米顆粒復合材料、其金屬鋰復合物、它們的制備方法及應用

在審

• 申請號: 201710617271.5
• 申請日: 2017-07-26
• 公開（公告）號: CN109309201A
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發明（設計）人: 康拓;陳立桅;盧威;沈炎賓;王亞龍;郭峰;劉承浩;陳鵬
• 申請（專利權）人: 中能中科（天津）新能源科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/40;H01M4/42;H01M4/46;H01M4/485;H01M4/62;H01M10/052;B82Y30/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 賀衛國

公開了一種多孔碳骨架?納米顆粒復合材料、其金屬鋰復合物、它們的制備方法及應用。本發明的多孔碳骨架?納米顆粒復合材料包含分布于多孔碳骨架的孔隙內及表面上的鋰反應性金屬或其氧化物納米顆粒。該多孔碳骨架?納米顆粒復合材料可以降低金屬鋰結合于多孔碳骨架時的成核能或者提高鋰與骨架碳的親和性，提高電池的安全性和/或循環穩定性。

技術領域

本發明涉及納米材料技術領域，特別涉及一種多孔碳骨架-納米顆粒復合材料、其金屬鋰復合物、它們的制備方法及應用。

背景技術

鋰電池是一種二次電池(充電電池)，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li⁺在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li⁺從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，放電時則相反。鋰電池由于具有高能量密度，環境友好性以及良好的循環穩定性等特性，因此已經廣泛的運用在了電子產品，智能電網等領域。然而，目前的電子產品內部元器件越來越復雜以及電動汽車產業快速興起，傳統的鋰離子電池的能量密度已經不能夠滿足日益增長的能耗要求，因此開發出具有更高能量密度的鋰電池是目前能源領域最大的研究熱點問題。

由于金屬鋰負極具有十倍于傳統石墨負極的比容量，達到了3860mAh/g，并且金屬鋰具有最負的電位和最輕的密度，因此采用鋰負極的電池能量密度將會有極大的提高。此外，鋰金屬負極可以為正極提供鋰離子，因此可以和能量密度更高的無鋰正極如硫，空氣等組成高能量密度的鋰硫-鋰空氣電池。不幸的是，金屬鋰負極在循環過程中容易產生枝晶，該枝晶會刺穿電池隔膜引起短路放出巨大的熱，引發電池燃燒，爆炸等一系列安全事故。此外金屬鋰在循環過程中的界面不穩定性使得電池內部內阻增加，引起電池循環容量衰減。因此，需要提高采用鋰負極的電池的安全性和循環壽命。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種多孔碳骨架-納米顆粒復合材料、其金屬鋰復合物、它們的制備方法、包含它們的電極和鋰電池，可以降低金屬鋰結合于多孔碳骨架時的成核能或者提高鋰與骨架碳的親和性，提高電池的安全性和/或循環穩定性。

本發明采用的技術方案包括：

在一些實施方式中提供了一種多孔碳骨架-納米顆粒復合材料，其中所述納米顆粒是鋰反應性金屬或其氧化物納米顆粒，分布于所述多孔碳骨架的孔隙內及表面上。

在一些實施方式中提供了一種制備上述多孔碳骨架-納米顆粒復合材料的方法，包括將表面負載有納米顆粒的碳納米管或碳納米纖維分散于溶劑中形成分散液，然后噴霧干燥；或者將碳納米管或碳納米纖維和納米顆粒一起分散于溶劑中形成分散液，然后噴霧干燥；或者將碳基多孔材料分散于納米顆粒的膠體溶液中，然后噴霧干燥。

在一些實施方式中提供了一種孔碳骨架-納米顆粒復合材料-金屬鋰復合物，包括上述的多孔碳骨架-納米顆粒復合材料和分布于所述多孔碳骨架的孔隙內及表面上的金屬鋰。

在一些實施方式中提供了一種制備多孔碳骨架-納米顆粒復合材料-金屬鋰復合物的方法，包括：將熔融的金屬鋰與上述的多孔碳骨架-納米顆粒復合材料混合，然后冷卻。

在一些實施方式中提供了一種在金屬鋰結合于多孔碳骨架時提高鋰沉積效率的方法，包括：形成上述的多孔碳骨架-納米顆粒復合材料，然后將熔融的金屬鋰與其混合

在一些實施方式中提供了一種電極，包含上述多孔碳骨架-納米顆粒復合材料-金屬鋰復合物作為活性材料。

在一些實施方式中提供了一種鋰電池，包含上述的電極作為負極。

本發明具有以下有益效果中的至少一種：

(1)存在于多孔碳骨架中的納米顆粒在金屬鋰與多孔碳骨架結合時，充當鋰的成核位點，降低成核能；或者通過與鋰反應，提高與骨架碳的親和性，提高鋰沉積效率。