[发明专利]杂化材料和纳米复合材料，其制备方法，及其用途

说明书

公开了杂化材料和纳米复合材料，所述材料的制备和使用方法。所述纳米复合材料的纳米粒是在杂化材料的热解过程中原位形成，所述杂化材料包含金属前体化合物。所述纳米粒均匀地分布在所述纳米复合材料的碳基体内。所述纳米复合材料可用于，例如，电极和片上电感等设备。

相关申请的交叉引用

本申请要求申请日为2011年6月30日的申请号为61/503,085的美国临时专利和申请日为2011年12月21日的申请号61/578,464的美国临时专利的优先权，其全部内容通过引用并入本申请。

关于联邦资助研究的声明

本发明是在由能源部授予的，合同编号为DE-SC0001086的政府支持下完成。政府对本发明享有一定权利。

技术领域

本发明主要涉及复合材料以及所述复合材料的制备方法。更具体地，本发明涉及嵌在碳基体内的纳米粒的原位形成。

发明背景

由于能源价格的不断上涨，以及对于具有更高能量和功率密度、更高工作电压，更好的循环稳定性，增强的安全性，以及较低的初始和生命周期成本的二次电池的需求未能得到满足，这使得对于锂离子电池（LIB）的关注不断增加。与传统的可充电电池相比，LIB的能量密度更高、工作电压更高并且自放电率更低。因此自90年代初以来，LIB即已受到广泛的科学和商业关注，以期用于便携式电子产品。近年来，对于具有更好的性能、更高的充电率容量、更好的循环稳定性和增强的安全性的二次（可充电）电池的需求也在稳步增加，以满足更小、更轻、功率更大的电子设备带来的新需求，同时以适应混合动力电动汽车和插电式混合动力电动汽车不断增长的需求。

一个重要的性能指标是电极材料的循环性能，并且容量保持能力的关键在于锂的循环嵌入和脱嵌过程中，许多电极材料需要经受的较大的结构和形态的变化。值得注意的是，在相当不同的锂化机制（包括合金化、转换和嵌入）后，材料都会发生上述变化；这意味着需要通用的解决方案。尽管世界各地的研究小组在作着不懈努力，但研究者相信：基于石墨阳极和锂金属氧化物（例如，LiCoO₂）的当前LIB平台所实现的性能将接近其极限，这是由于作为阳极材料的石墨化碳的单位重量容量和倍率性能十分有限。

发明概述

本发明提供了一种杂化材料、纳米复合材料，制备所述材料的方法。还提供了所述材料的用途。本发明的所述杂化/原位方法使金属前体在聚合物基体（例如，交联的聚合物基体）中均匀分散。

一方面，本发明提供了一种杂化材料。所述杂化材料是一种包含金属前体的聚合物。所述金属前体与聚合物化学键合。在杂化材料的热解过程中，由金属前体形成纳米粒。在一个实施方式中，进行杂化材料的热解步骤，从而形成纳米复合材料，所述纳米复合材料包含多个纳米粒，所述纳米粒由一种或多种金属前体化合物的金属成分形成，所述纳米粒嵌在碳基体内。

一方面，本发明提供了一种纳米复合材料。所述纳米复合材料具有嵌在碳连续相（即，碳基体）内的纳米粒（例如，金属纳米粒，金属氧化物纳米粒，金属卤化物（例如，金属氟化物）纳米粒，金属硼化物纳米粒，金属磷酸盐纳米粒）。

一方面，本发明提供了一种形成材料的方法。所述材料可以是如本文所述的杂化材料或纳米复合材料。

在一个实施方式中，用于形成材料的所述方法包括以下步骤：使一种或多种单体，一种或多种金属前体化合物，任选地，一种引发剂，以及，任选地，一种或多种溶剂相接触，以形成反应混合物，加热所述反应混合物，从而形成杂化材料，所述杂化材料包含与聚合物基体化学键合的多个金属前体化合物，并且，任选地，分离所述杂化材料。在一个实施方式中，所述方法还包括热解所述杂化材料的步骤，从而形成纳米复合材料，所述纳米复合材料包含嵌在碳基体内的多个金属氧化物纳米粒（或金属纳米粒）。