[發明專利]一種鋰電池用碳/二氧化錳復合材料及其應用

在審

• 申請號: 201810062843.2
• 申請日: 2018-01-23
• 公開（公告）號: CN110164702A
• 公開（公告）日: 2019-08-23
• 發明（設計）人: 倪佳輝
• 申請（專利權）人: 泰順永慶電力技術有限公司
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36;H01G11/46;H01G11/44;H01G11/86;H01M4/36;H01M4/50;H01M10/0525
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 張利

本發明涉及一種碳/二氧化錳復合材料，及其制備方法，該復合材料具有高比表面積、具有石墨烯結構。本發明方法以石墨和高錳酸鉀為原料，具體步驟為：將原料石墨進行插層?膨脹處理，得類石墨烯膨脹石墨；將所得類石墨烯膨脹石墨與高錳酸鉀在震蕩或靜置條件下反應，經水洗后即得碳/二氧化錳復合材料。本發明所得的復合材料中碳材料的共軛結構保持較好，二氧化錳垂直生長在碳納米片的表面。本發明制備的碳/二氧化錳復合材料可廣泛應用于超級電容器、鋰離子電池、燃料電池、能量轉換等領域。此外，所得到的復合材料仍保持了骨架碳的疏松結構，復合材料中的二氧化錳能進一步反應為硫化物、氮化物。

技術領域

本發明屬于材料技術領域，涉及一種具有高比表面積碳/二氧化錳復合材料的制備方法，具體為通過插層-膨脹方法，得到類石墨烯膨脹石墨；將所得的類石墨烯膨脹石墨在震蕩或靜置條件下反應，即得高比表面積碳/二氧化錳復合材料的制備方法。二氧化錳在碳納米片上垂直生長且均勻分布。此外，碳納米片的共軛結構在反應后仍保持完好，因而無需進行還原處理。

背景技術

隨著環境問題的日益加劇以及化石燃料消耗日益增多，開發高效的能量存儲及轉化器件至關重要。超級電容器以及鋰離子電池是理想的電化學儲能器件。制備出優異的電極材料是提高電化學儲能器件性能的關鍵。二氧化錳由于其高理論比電容、環境友好、價格低廉等優勢，二氧化錳已成為被廣泛研究的電極材料之一。不同形貌的二氧化錳納米材料已被成功制備出來，包括納米線、納米花、納米點、納米管、納米片等。然而，二氧化錳本身導電性不好，將其直接作為電極材料使用時，會面臨倍率性能及循環穩定性差的不足。為了提高二氧化錳基電極材料的性能，將二氧化錳與高導電性的碳材料復合是最為常用的方法。

碳/二氧化錳復合材料的制備方法主要包括原位生長法和組裝法。前者通過二氧化錳前驅體直接在碳材料表面生長獲得；后者通過碳材料與制備好的二氧化錳納米材料在溶液中組裝得到。其中，高比表面積的石墨烯材料是被廣泛采用的碳前驅體。通常，將氧化石墨烯或還原氧化石墨烯與二氧化錳前驅體在溶液中混合，通過水熱、加熱、微波輻射等方式，即可得到復合材料。然后，經氧化還原法得到的碳材料表面缺陷較多，所得復合材料的倍率性能和循環穩定性不理想。因而，開發出高質量、高比表面積碳材料與二氧化錳的復合材料至關重要。

發明內容

本發明的目的在于克服上述困難，提供一種碳/二氧化錳復合材料及其制備方法，以及該材料在超級電容器中的應用。本發明方法制備的復合材料中碳納米片共軛結構保持較好，具有少缺陷的特點。二氧化錳則在碳納米片上垂直生長，且展現出幾十納米的納米片形貌。所得到的復合材料無需進一步高溫還原或使用還原劑還原。本發明制備的碳/二氧化錳復合材料能應用于超級電容器、鋰離子電池、催化等領域，具有操作流程簡單、成本低、可控性好等優勢，適合大規模生產和工業化應用。

本發明提出了一種碳/二氧化錳復合材料的制備方法，具體步驟如下：

（1）將原料石墨進行插層-膨脹處理，在增加石墨層間距的同時，引入少量含氧官能團，得類石墨烯膨脹石墨；

（2）取泡沫鎳加入到（1）中得到的類石墨烯膨脹石墨中，超聲，得到負載有類石墨烯膨脹石墨的泡沫鎳材料，干燥，得到泡沫鎳-類石墨烯膨脹石墨材料；

（3）將步驟（2）得到的材料與高錳酸鉀在震蕩或靜置條件下反應，這一過程中高錳酸鉀逐漸與碳反應，形成二氧化錳，并且二氧化錳能在碳納米片上垂直生長；

（4）將（3）中得到的中間產物進行過濾洗滌，即得碳/二氧化錳復合材料。

本發明中，步驟（1）所述原料石墨為人造石墨或天然石墨。

本發明中，步驟（1）所述插層劑由酸和氧化劑組成，具體組分是硫酸、磷酸、硝酸、高錳酸鉀、高鐵酸鉀、重鉻酸鉀的一種或它們的組合。所述的膨脹劑為硫酸、磷酸、雙氧水、過硫酸銨、過硫酸鉀、過硫酸鈉中的一種或它們的組合。

本發明中，步驟（3）所用的高錳酸鉀用量為類石墨烯膨脹石墨的0.1-10倍。