[發明專利]一種金屬氧化物/碳互插層二維復合材料在鋰離子電池負極材料中的應用

在審

• 申請號: 202010725068.1
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN113972361A
• 公開（公告）日: 2022-01-25
• 發明（設計）人: 申仲榮;張明
• 申請（專利權）人: 廈門稀土材料研究所
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/583;H01M4/13;H01M10/0525
• 代理公司: 北京知元同創知識產權代理事務所(普通合伙) 11535
• 代理人: 聶稻波;呂少楠

1.一種金屬氧化物/碳互插層二維復合材料在鋰離子電池負極材料中的應用。

2.根據權利要求1所述的應用，其特征在于，所述金屬氧化物/碳互插層二維復合材料包括金屬氧化物層和位于所述金屬氧化物層之間的碳層，所述碳層與所述金屬氧化物層相互穿插。

優選地，所述金屬氧化物選自堿土-過渡金屬氧化物和類金屬氧化物，例如為鈣、鋁、硅、鋰、鎳、鈷、鋇、鈦、鈮、釕、釩、鎢、鉭、鉿、鋯、鉻、鉬、錳、鑭、鈰、鐠、釹、鈧、釔、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥等元素的氧化物中的一種、兩種或更多種；優選地，所述金屬氧化物可以選自含有一種、兩種或更多種上述元素的堿土-過渡金屬氧化物和類金屬氧化物；示例性地，所述金屬氧化物選自二氧化鈦、氧化鈮、氧化鑭、氧化鎢、氧化釩、鈣鈦礦型的鑭鈦氧化物、天然的蒙脫土中的一種、兩種或更多種。

優選地，所述碳層中的碳材料為有機分子(包括高分子)通過插層到層狀金屬氧化物中，然后通過聚合反應、碳化反應等在金屬氧化物層狀材料中形成的二維碳基材料；優選地，所述碳層為全碳或者含有其他摻雜的碳基材料。示例性地，碳層為二維類石墨、二維碳基納米片材料(單層石墨烯，多層石墨烯、氮摻雜石墨烯、氮以及硫摻雜石墨烯、非晶態層狀碳、以及其他氮或者硫等摻雜的非晶態片狀碳材料中的一種、兩種或更多種。

優選地，所述金屬氧化物/碳互插層二維復合材料的重復單元厚度為0.5-5nm。優選地，所述重復單元由一個金屬氧化物層和一個碳層組成。

優選地，所述金屬氧化物/碳互插層二維復合材料的層與層之間基本重疊排列，或者層與層之間交錯排列。

3.根據權利要求1或2所述的應用，其特征在于，所述金屬氧化物/碳互插層二維復合材料的厚度為20納米-50微米。

優選地，所述金屬氧化物/碳互插層二維復合材料的比表面積為10-480m²/g。

優選地，所述金屬氧化物/碳互插層二維復合材料為金屬氧化物/類石墨互插層二維復合材料、高嶺土/碳二維復合材料、或蒙托土/碳二維復合材料；示例性地為層狀TiO₂/類石墨二維復合材料、TiO₂納米片/類石墨二維復合材料或蒙托土/碳二維復合材料。

4.根據權利要求1-3任一項所述的應用，其特征在于，所述金屬氧化物/碳互插層二維復合材料的制備過程包括如下步驟：

(1)金屬氧化物二維材料與含有氨基的有機物經插層反應或表面修飾反應，在所述金屬氧化物二維材料的層間或其表面引入有機分子層，得到有機分子層/金屬氧化物二維復合材料；

(2)步驟(1)得到的所述有機分子層/金屬氧化物二維復合材料經過炭化處理，得到所述金屬氧化物/碳互插層二維復合材料；或者，

(3)步驟(1)得到的所述有機分子層/金屬氧化物二維復合材料經聚合反應后，得到高分子層/金屬氧化物二維復合材料；所述高分子層/金屬氧化物二維復合材料經過炭化處理，得到所述金屬氧化物/碳互插層二維復合材料。

5.根據權利要求4所述的應用，其特征在于，任選地，步驟(1)插層反應或表面修飾反應、步驟(3)聚合反應完成后，采用離心、過濾、干燥等分離以及后處理方法得到固體粉末。

優選地，所述制備方法還包括步驟(4)：步驟(2)以及步驟(3)得到的金屬氧化物/碳互插層二維復合材料進行酸洗。

6.根據權利要求1-5任一項所述的應用，其特征在于，所述金屬氧化物/碳互插層二維復合材料經過再處理后，用于鋰離子電池的負極材料中。

優選地，所述再處理包括碳包裹過程、熱處理過程、預鋰化過程、離子交換等至少一種再處理過程，以改變二維金屬氧化物(即金屬氧化物層)和/或二維碳材料(即碳層)的形狀、結晶度和/或組成。