[發(fā)明專利]一種自支撐生物質碳集流體、復合集流體及應用

在審

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• 申請日: 2022-12-22
• 公開（公告）號: CN116014146A
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發(fā)明（設計）人: 曹菲菲;彭懷宇;徐艷松;魏旭陽
• 申請（專利權）人: 華中農業(yè)大學
• 主分類號: H01M4/66
• 分類號: H01M4/66;H01M4/62
• 代理公司: 山東孔宣專利代理事務所(普通合伙) 37405
• 代理人: 劉子成

本發(fā)明屬于電化學能源領域，具體涉及一種自支撐生物質碳集流體、復合集流體及應用，以生物質材料為基底，在惰性氣體的保護下經(jīng)碳化處理后即得自支撐生物質碳集流體，該自支撐生物質碳集流體具有較高的比表面積和天然垂直孔道結構，通過進一步負載親鋰/鈉性的過渡金屬硫/硒化物修飾，應用于金屬鋰電池或金屬鈉電池的負極后，能夠均勻局部電流密度，引導鋰/鈉金屬均勻成核，從而實現(xiàn)金屬鋰/鈉電池循環(huán)壽命和循環(huán)倍率性能的提升。

技術領域

本發(fā)明屬于電化學能源領域，具體涉及一種自支撐生物質碳集流體、復合集流體及應用。

背景技術

隨著快速充電電子設備和電動汽車的快速發(fā)展，人們對于更高容量、更高能量密度的儲能體系提出了更高的要求。然而,目前商業(yè)化的基于插層反應的鋰離子電池很難滿足人們日益增長的對高能量密度的需求。因此,亟待開發(fā)新型的具有高能量密度、長循環(huán)壽命的二次電池體系。與商用鋰離子電池負極石墨相比，金屬鋰負極具有極高的理論比容量(3860mAh/g),具有最低電化學電位(-3.04V，相對于標準氫電極)以及較小的密度(0.534g/cm³)而受到廣泛關注。同一主族的鈉元素有著與鋰相似的物理化學性質，也引起了人們的研究興趣。然而，金屬鋰/鈉負極在實際應用中也存在著許多問題：(1)鋰/鈉的不均勻沉積導致鋰/鈉枝晶生長，鋰/鈉枝晶刺穿隔膜使電池短路，引起安全問題，(2)不穩(wěn)定的固體電解質界面導致金屬鋰/鈉和電解液的持續(xù)消耗，庫倫效率降低，(3)無限的體積膨脹導致容量迅速衰減。

發(fā)明內容

根據(jù)以上現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種自支撐生物質碳集流體、復合集流體及應用，該自支撐生物質碳集流體具有較高的比表面積和天然垂直孔道結構，通過進一步負載過渡金屬硫化物、過渡金屬硒化物修飾，應用于金屬鋰電池或金屬鈉電池的負極后，能夠均勻局部電流密度，引導鋰/鈉金屬均勻成核，從而實現(xiàn)金屬鋰/鈉電池循環(huán)壽命和循環(huán)倍率性能的提升。

申請人通過研究，發(fā)現(xiàn)構建三維集流體和集流體表面改性是一種提高金屬鋰/鈉電池負極材料性能的有效方法。一方面，三維集流體的高比表面積可以降低局部電流密度，均勻電場分布，抑制鋰/鈉枝晶的生長；另一方面，三維集流體的多孔結構可以作為鋰/鈉的存儲空間，有效緩解循環(huán)過程中鋰/鈉金屬的體積膨脹，從而提升金屬鋰/鈉電池的循環(huán)穩(wěn)定性。高電子電導率、低質量密度的碳材料是容納金屬鋰/鈉的理想骨架。生物質碳材料具有來源廣泛，種類豐富，環(huán)境友好等特點，其中，喬木類木本植物具有三維多孔和垂直孔道豐富的特點，可以有效抑制金屬鋰/鈉負極的體積膨脹，誘導金屬鋰/鈉沉積在內部，確保鋰/鈉離子快速、均勻地沉積和剝離，抑制鋰/鈉枝晶的生長。

基于此，本發(fā)明具體提供了一種自支撐生物質碳集流體，以生物質材料為基底，在惰性氣體的保護下經(jīng)碳化處理后即得自支撐生物質碳集流體。

作為優(yōu)選方案，所述生物質材料為喬木類木本植物，如椴樹、水杉、油松、側柏、楊樹中的至少一種，優(yōu)選為椴樹。

作為優(yōu)選方案，所述惰性氣體為氮氣、氬氣或氫氬混合氣，優(yōu)選為氬氣，所述碳化溫度為500-1800℃，優(yōu)選為1300℃，升溫速率為1-10℃/min，優(yōu)選為5℃/min，碳化時間為0.5-10h，優(yōu)選為6h。

作為優(yōu)選方案，所述自支撐生物質碳集流體的厚度為100-800μm，優(yōu)選為400μm。

作為優(yōu)選方案，所述生物質材料需要經(jīng)過真菌培養(yǎng)處理，所述真菌為平菇菌絲、黑曲霉菌或酵母菌，優(yōu)選為平菇菌絲。

作為優(yōu)選方案，經(jīng)過真菌培養(yǎng)處理后的所述生物質材料，在惰性氣體的保護下還需要經(jīng)過預炭化處理；其中，所述惰性氣體為氮氣、氬氣或氫氬混合氣，優(yōu)選為氬氣，所述預碳化溫度為100-400℃，優(yōu)選為300℃，升溫速率為1-10℃/min，優(yōu)選為5℃/min，預碳化時間為0.5-5h，優(yōu)選為3h。