[發(fā)明專利]三維碳材料及其制備方法、金屬鋰復(fù)合電極及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810883958.8
• 申請(qǐng)日: 2018-08-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109052359B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱彥武;謝兼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/05
• 分類號(hào): C01B32/05;H01M4/36;H01M4/38;H01M4/587;H01M10/052;B82Y30/00
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 張雪嬌;趙青朵

本發(fā)明提供了一種三維碳材料的制備方法，包括：S1)將海綿浸入可溶性催化劑前驅(qū)體水溶液中，烘干后，得到浸泡后的海綿；所述可溶性催化劑為鐵系元素的鹽類化合物；S2)將所述浸泡后的海綿在保護(hù)氣氛中加熱并保溫，得到三維碳材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以海綿為固體碳源，通過(guò)前期吸附催化劑前驅(qū)體，之后在保護(hù)氣氛中實(shí)現(xiàn)海綿的熱解和碳化、催化劑原位生成、碳納米管生長(zhǎng)的同步進(jìn)行，制備了碳納米管纏繞在碳化海綿骨架上的三維碳材料，方法簡(jiǎn)單，無(wú)需后期處理，且三維碳材料保持了海綿的彈性和三維骨架結(jié)構(gòu)，具有一定的導(dǎo)電性，同時(shí)也具有較大的比表面積及豐富的空隙結(jié)構(gòu)，沉積金屬鋰后能夠達(dá)到高電流密度和高面容量，且沒(méi)有枝晶的形成。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維碳材料及其制備方法、金屬鋰復(fù)合電極及其制備方法。

背景技術(shù)

碳納米管是具有獨(dú)特管狀結(jié)構(gòu)的一維碳納米材料。與傳統(tǒng)的碳材料相比，碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)等性能，在儲(chǔ)能方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

有很多學(xué)者對(duì)固態(tài)碳源制備碳納米管進(jìn)行了研究，如公開(kāi)號(hào)為CN107032326A的中國(guó)專利公開(kāi)了一種采用固相催化制備螺旋狀碳納米管的方法，該方法以尿素或者三聚氰胺粉體為固態(tài)碳源，在保護(hù)氣的氛圍下制備了碳納米管，但該方法得到的材料為粉體；海綿是一種三維網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)的固體材料，含有一定尺寸的孔徑分布，由木纖維素纖維或發(fā)泡塑料聚合物制成，能夠被碳化，且保持原始的海綿骨架結(jié)構(gòu)，公開(kāi)號(hào)為CN105217603A的中國(guó)專利公開(kāi)了一種碳納米管泡沫材料的制備方法，該方法采用化學(xué)氣相沉積法，在高分子海綿、三聚氰胺海綿或聚氨酯海綿表面生長(zhǎng)了碳納米管，但該方法需要通入甲烷、乙烯、乙炔等氣態(tài)碳源。

鋰金屬由于其高理論容量(3860mA·h/g)，低電化學(xué)電勢(shì)(-3.04V)，低密度(0.534g/cm³)等特點(diǎn)而愈發(fā)在鋰二次電池領(lǐng)域受到人們的關(guān)注。但是，作為鋰電池的負(fù)極材料，鋰金屬一直存在著鋰枝晶問(wèn)題：鋰枝晶在生長(zhǎng)過(guò)程中，容易刺穿隔膜，導(dǎo)致電池短路，產(chǎn)生安全隱患；同時(shí)，鋰枝晶在析出和沉積鋰的過(guò)程中不斷產(chǎn)生和破碎，產(chǎn)生一些游離于鋰金屬表面的鋰(死鋰)，以及鋰金屬表面需要不斷重新生成固體電解質(zhì)界面膜(SEI)，從而使得鋰金屬電池的循環(huán)穩(wěn)定性和庫(kù)倫效率受到很大的影響。

構(gòu)筑三維碳材料有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)相比于金屬材料，密度更低；(2)三維骨架本身機(jī)械強(qiáng)度高，可阻礙鋰枝晶的長(zhǎng)出；(3)表面積大，降低了局部電流密度，有利于抑制枝晶的生長(zhǎng)；(4)孔隙率高，有利于緩解體積變化所帶來(lái)的內(nèi)部壓力。

目前有很多研究致力于將三維碳材料應(yīng)用于鋰金屬負(fù)極，但均集中在小電流密度和小面容量下循環(huán)，如公開(kāi)號(hào)為CN105609783的中國(guó)專利公開(kāi)了一種三維碳材料，在電流密度0.25mA/cm²和面容量0.625mA·h/cm²下循環(huán)，也有人嘗試在大電流密度和小面容量下循環(huán)，如公開(kāi)號(hào)為CN106784635的中國(guó)專利公開(kāi)了一種三維碳材料，在電流密度5mA/cm²和面容量1mA·h/cm²下循環(huán)，但很少能達(dá)到高電流密度及高面容量。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種制備方法簡(jiǎn)單且可達(dá)到高電流密度及高面容量的三維碳材料及其制備方法、金屬鋰復(fù)合電極及其制備方法。

本發(fā)明提供了一種三維碳材料的制備方法，包括：

S1)將海綿浸入可溶性催化劑前驅(qū)體水溶液中，烘干后，得到浸泡后的海綿；所述可溶性催化劑為鐵系元素的鹽類化合物；

S2)將所述浸泡后的海綿在保護(hù)氣氛中加熱并保溫，得到三維碳材料。

優(yōu)選的，所述可溶性催化劑前驅(qū)體選自硝酸鐵、氯化鐵、醋酸鐵、硝酸鈷、氯化鈷、硝酸鎳、氯化鎳與醋酸鎳中的一種或多種。

優(yōu)選的，所述可溶性催化劑前驅(qū)體水溶液中可溶性催化劑前驅(qū)體的濃度為0.1～1g/L。