[发明专利]一种TaC@洋葱状碳/无定形碳纳米复合物及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种TaC@洋葱状碳/无定形碳纳米复合物及其制备方法和应用。

背景技术

随着人们对能源的需求日益增长、化石燃料储量的降低以及环境污染的加剧，开发清洁高效的新型能源成为人们关注的热点。锂电子电池作为一种能量存储装置，以其环保、轻便、高容量、长寿命等特点被广泛应用在小型便携设备中。锂离子电池正负极材料是决定其性能的核心因素。目前商业化的负极材料主要是石墨材料，它的理论比容量只有372mAh/g，已不能满足人们对电池性能的需求。因此，研究和开发新型锂离子电池负极材料具有重要意义。

过渡族金属碳化物虽然拥有无毒、储量丰富、低成本和优异催化性能等优势，但是由于其具有理论上较小的比容量，过渡族金属碳化物长期无法用作锂离子电池的负极材料。2012年，Su et al首先报道了核壳结构Fe@Fe₃C/C纳米复合物具有稳定的放电电容量～500mAh/g,证明了其作为锂离子电池负极材料的潜力。尽管，Fe和Fe₃C对于Li⁺插层几乎无活性，但是作者指出Fe₃C作为催化剂，能促进固态电解质界面(SEI)膜的形成/分解过程可逆，从而提升了碳基负极的电化学性能。(L.Su,Z.Zhou,P.Shen.Core-shell Fe@Fe₃C/C nanocompositesas anode materials for Li ion batteries.Electrochimica Acta 87(2013)180-185)。众所周知，阻碍碳化物作为锂离子电池负极材料，还有如下两个障碍：(1)在重复循环过程中的体积膨胀/收缩；(2)碳化物的低导电性。目前针对以上两个问题的研究，主要分为三种途径解决：(1)材料的纳米化；(2)活性材料的复合化；(3)纳米复合材料。其中第三种途径在研究中应用最广泛，其中在基材的选择中，由于碳材料结构稳定，在充放电过程中体积变化相对较小，并且导电性和热、化学稳定性好，具有一定的比容量，因此受到了广泛关注。通常情况下，纳米复合物中的碳组分具有双重功能：作为导电添加剂促进碳化物的电子输运性和作为弹性缓冲层增强电极结构稳定性。

国内外很多学者致力于过渡族金属碳化物/碳复合材料的制备方法研究，简介如下：

中国发明专利“碳包金属、碳包金属碳化物纳米微粉的合成方法”(专利号:CN99120144.2)采用交流电弧法，利用碳和金属在真空自耗电极电弧炉中通过等离子体放电同时蒸发，经化学反应生成碳包金属或金属碳化物纳米微粉。

中国发明专利“包含分散于其中的金属碳化物颗粒的碳复合材料及其制备方法”(专利号:200580012680.8)涉及碳复合材料，所述碳复合材料包含分散在碳、碳纤维或碳/碳纤维基体中的金属碳化物颗粒且不含游离金属颗粒，其中金属碳化物颗粒在至少颗粒表面或者整个颗粒为金属碳化物，由金属源(即选自金属颗粒、金属氧化物颗粒或复合金属氧化物颗粒中的至少一种)和碳源(即热固性树脂)在原位合成。

中国发明专利“一种炭基金属氮化物、碳化物超电容材料的制备方法”(专利号：200710022253.9)将原材料通过凝胶反应获得水凝胶前躯体，所得水凝胶在氮化气体或氢气作用下经常压干燥和碳化，制得炭基过渡金属氮化物、碳化物超电容材料。

中国发明专利“一种C/Fe₃C锂离子电池负极材料及其制备方法”(专利号:201010532415.5)对原材料使用有机溶剂中热聚合，获得前躯体，然后在氩气气氛保护下，进行热处理，获得C/Fe₃C复合物，其由非晶碳和Fe₃C组成。

中国发明专利“洋葱碳负载过渡金属碳化物纳米复合物的制备方法”(专利号:201010600970.7)将原材料按比例装入密闭的反应釜中，通过加热反应釜，采用引发剂辅助的化学气相沉积法一步反应得到洋葱碳负载过渡金属碳化物的纳米复合物。

中国发明专利“一种制备金属碳化物或碳包覆金属碳化物的方法”(专利号：201210562395.5)将金属盐粉末在高温焙烧形成金属氧化物前驱物，以液态含碳化合物作为液态碳源与金属氧化物前驱物进行还原和碳化反应而制备金属碳化物或碳包覆金属碳化物。