[發明專利]含有金屬涂層的碳材料、其制備方法及應用

在審

• 申請號: 201910072986.6
• 申請日: 2019-01-25
• 公開（公告）號: CN109802121A
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發明（設計）人: 鄭子劍;常建;高源
• 申請（專利權）人: 香港理工大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 趙青朵

本發明提供了一種含有金屬涂層的碳材料、其制備方法及應用，所述制備方法包括以下步驟：A)將碳材料在酸溶液中進行表面氧化，然后與催化劑溶液混合，得到表面負載催化劑的碳材料；B)將所述表面負載催化劑的碳材料在金屬待鍍液中進行沉積，得到含有金屬涂層的碳材料。按照上述方案制備得到的含有金屬涂層的碳材料可以實現鋰的快速潤濕和擴散。由這種含有金屬涂層的碳材料制備得到的鋰金屬電池負極材料可以保證鋰金屬電池具有較優的循環穩定性。此外，由這種含有金屬涂層的碳材料制備得到的鋰金屬電池負極材料在反復的彎曲過程中表現出優異的機械穩定性。

技術領域

本發明涉及纖維生產技術領域，尤其涉及一種含有金屬涂層的碳材料、其制備方法及應用。

背景技術

隨著可穿戴電子設備、智能服裝、電子皮膚、可彎曲智能手機、折疊式顯示器和可植入式醫療器械的迅速發展，傳統鋰離子電池因其體積較大、剛性較強而無法滿足柔性要求。

對于持續供電的可穿戴設備來說，具有高能量密度和電化學穩定性的輕型柔性儲能單元是非常有必要的。盡管已經有很多研究關于通過結構互聯或材料設計來提高鋰離子電池的柔性性能，但是所使用的插層電極已經達到理論比容量的極限。

在所有可用于鋰電池電極的材料中，金屬鋰因其較高的理論比容量(3860mAh/g)和較低的電化學電位(-3.04V，相對于標準氫電極)，使得到的鋰電池具有較高的能量密度，因而，金屬鋰是最理想的陽極。赤裸的鋰箔電極雖然具有上述的優點，然而，在反復的彎曲過程中，赤裸的鋰箔電極的電阻會持續增加，甚至出現形變斷裂。再者，循環過程中鋰箔的枝晶生長和較大的體積變化均會導致庫倫效率降低、不可逆的容量損失、電解質快速干涸甚至內部短路，進一步阻礙了其在柔性儲能材料中的應用。

現有技術報道了一些可以穩定傳統鋰金屬陽極的方法，包括人工設計的固體電解質界面(SEI)，使用電解質添加劑以及開發高表面積的載鋰基材。然而，前兩種方法并不能解決鋰金屬陽極的機械穩定性。因此，出現了各種柔性親石性基材比如富氧石墨烯薄膜、鎳納米線紙、銀或硅涂層紙、含有氧化鋅涂層的聚酰亞胺(PI)碳紙通過熱浸漬法用于儲存鋰。與電鍍相比，熱浸漬法通過吸收熔融鋰具有簡單、可靠、生產效率高和鋰分布均勻的優點。然而，液體鋰在上述基材上的潤濕和擴散較慢，不適合于實際的大規模生產。例如，在柔性或剛性的襯底上陣列印刷液體鋰要求高濕潤性、快速的擴散速度和鋰金屬任意尺度的均勻性。再者，熔化過程引入的含氧官能團雜質或鋰合金，導致鋰金屬電池的庫倫效率和循環穩定性較差。因此，同時實現鋰陽極的機械穩定性和化學穩定性仍然是一個巨大的挑戰。

發明內容

有鑒于此，本發明要解決的技術問題在于提供一種含有金屬涂層的碳材料、其制備方法及應用，本發明制備的含有金屬涂層的碳材料可以實現鋰的快速潤濕和擴散，得到的鋰金屬電池負極材料可以保證鋰金屬電池具有較優的循環穩定性。

本發明提供了一種含有金屬涂層的碳材料的制備方法，包括以下步驟：

A)將碳材料在酸溶液中進行表面氧化，然后與催化劑溶液混合，得到表面負載催化劑的碳材料；

B)將所述表面負載催化劑的碳材料在金屬待鍍液中進行沉積，得到含有金屬涂層的碳材料。

優選的，所述碳材料包括碳纖維、碳線、編織碳布、無紡織碳布、碳紙或碳氈。

優選的，步驟A)中，將碳材料在酸溶液中進行表面氧化具體為：將碳材料浸入酸溶液中，在25～60℃下，超聲處理5～60min；或將碳材料浸入酸溶液中，在25～60℃下，氧等離子處理5～60min；

所述酸溶液包括硫酸溶液和硝酸溶液，所述硫酸溶液和硝酸溶液的體積比為3：1；

所述催化劑溶液為氯鈀酸銨的水溶液，所述氯鈀酸銨的水溶液的濃度為1×10^-4～5×10^-3mol/L；