[发明专利]作为电极的高表面积多孔碳材料

说明书

本公开的实施方式涉及电极，其包含：多孔碳材料；与多孔碳材料结合的金属(例如Li)；以及与多孔碳材料结合的导电添加剂(例如石墨烯纳米带)。金属可以是多孔碳材料表面上的非树枝状或非苔藓状涂层的形式。电极还可与基材如铜箔结合。电极可用作储能装置如锂离子电池中的阳极或阴极。其他实施方式涉及含有本公开的电极的储能装置。进一步的实施方式涉及通过将多孔碳材料与导电添加剂、金属和任选的基材结合来制备电极的方法。然后可将电极作为储能装置的组件进行整合。

相关申请的交叉参考

本申请要求2015年10月8日提交的美国临时专利申请第62/238,849号的优先权。前述申请的完整内容通过参考纳入本文。

有关联邦资助研究的声明

本发明在美国国防部授予的批准号为FA9550-14-1-0111和同样由美国国防部授予的批准号为FA9550-12-1-0035的政府资助下完成。政府拥有本发明的某些权利。

背景

目前基于金属的电极材料有许多限制，包括在电极工作期间形成树枝状物，以及电化学性能有限。不仅如此，目前制备基于金属的电极的方法可能耗时长、成本高。本公开的各个方面突破了上述限制。

概述

在一些实施方式中，本公开涉及电极，其包含：多孔碳材料；与多孔碳材料结合的金属；以及与多孔碳材料结合的导电添加剂。在一些实施方式中，多孔碳材料是具有超过约2,000m²/g的表面积的沥青基多孔碳材料。在一些实施方式中，金属包括锂(Li)，导电添加剂包括石墨烯纳米带。在一些实施方式中，金属是多孔碳材料表面上的非树枝状或非苔藓状涂层的形式。在一些实施方式中，本公开的电极还与基材结合，所述基材是例如起集流体作用的铜箔。

本公开的电极可具有多种功能。例如，在一些实施方式中，本公开的电极起阳极作用。在一些实施方式中，本公开的电极起阴极作用。在一些实施方式中，本公开的电极中的多孔碳材料起集流体的作用，而金属起活性材料的作用。

在一些实施方式中，本公开的电极用作储能装置如锂离子电池的组件。在另外的实施方式中，本公开涉及含有本公开的电极的储能装置。

在其他实施方式中，本公开涉及制备本公开的电极的方法。在一些实施方式中，本公开的方法包含使多孔碳材料与导电添加剂和金属结合的步骤。在另外的实施方式中，本公开的方法还包含使多孔碳材料与基材结合的步骤。本公开的方法还包含将电极作为储能装置的组件加以整合的步骤。

附图说明

图1例示了电极的形成(图1A)、所形成的电极的结构(图1B)和所形成的电极在电池中的应用(图1C)。

图2例示了多孔碳材料的制备及其作为锂(Li)阳极的应用。图2A提供了涉及由未经处理的硬沥青(uGil)制备多孔碳的示意图。图2B提供了用于制备uGil负载的Li阳极(uGil-Li阳极)的充电/放电图。图2C提供了与Li树枝状物(左图)相比的uGil-Li阳极(右图)的示意图。

图3提供了与各种uGil-Li阳极相关的数据和图像。图3A提供了包含石墨烯纳米带(GNR)的uGil-Li阳极(uGil-GNR-Li阳极)的倍率性能，其中Li:C比(即Li与uGil-GNR的质量比)为1:5。图3B提供了uGil-GNR-Li阳极在不同电流密度下的充电/放电图。图3C和3D显示了uGil-GNR-Li阳极在不同放大倍数下的俯视扫描电子显微(SEM)图。图3E-F显示了锂化uGil-GNR-Li阳极(图3E)和脱锂uGil-GNR-Li阳极(图3F)在30次放电/充电循环后的SEM图像。用碳(即uGil和GNR)的质量计算电流密度。