[发明专利]金属单质膜/碳复合材料、其制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种金属单质膜/碳复合材料、其制备方法及其应用。

背景技术

由于能源短缺以及化石燃料燃烧造成的环境污染日益严重，人们开始寻找清洁无污染的新能源材料以及新的储能装置。锂离子电池作为一种重要的储能装置，具有一些非常优异的性质，包括：比能量高，工作电压高，循环寿命长，无记忆效应以及无污染等，(Park,C.M.et al.Chem.Soc.Rev.2010,39,3115-3141；Aricò,A.S.et al.Nat.Mater.2005,4,366-377；Armand,M.et al.Nature 2008,451,652-657.)，故锂离子电池在手机、笔记本电脑、电动汽车等领域应用非常广泛。

随着科技的发展，锂离子电池在我们的生活中随处可见，传统的锂离子电池已难以满足需求，人们亟需研发出具有更高能量密度、更长循环寿命的锂离子电池，其中，选取具有优异电化学性能的电极材料是提高锂离子电池性能的关键。目前，商业化的锂离子电池的负极材料主要是石墨，石墨材料具有导电性高，充放电平台稳定以及体积变化小等优点。然而石墨的理论比容量非常低(372mAh/g)，并且安全性差，并不能满足高能量密度，高安全性的锂离子电池的要求，因此研究与开发新型的负极材料是当前社会的一项紧急任务(Goodenough,J.B.et al.Chem.Mater.2010,22,587-603.)。

近年来，人们开始将金属材料作为负极材料，例如Sn基负极材料。Sn基负极材料在储能方面表现出优异的电化学性能。研究表明，Sn基材料具有较高的理论比容量，如单质锡的理论容量为992mAh/g(Wachtler,et al.J.Power Sources2011,94,189-193.)。并且当Sn基材料与碳材料复合时，其结构会更加稳定，表现出更长的循环寿命以及优异的充放电性能(Y.Zhang,Y.et al.Nanoscale2015,7,11940-11944；Xu,Y.et al.Nano Lett.2013,13,470-474.)。对于Sn基材料，目前大多数报道都是关于粉末型材料及其复合材料，其机械性能和循环稳定性依然有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金属单质膜/碳复合材料、其制备方法及其应用，本发明提供的金属单质膜/碳复合材料具有三明治结构，用作锂离子电池负极时具有良好的结构稳定性、循环稳定性和电化学性能。

本发明提供了一种金属单质膜/碳复合材料，包括金属衬底、复合在所述金属衬底上的碳微球和复合在所述碳微球上的金属单质膜。

本发明提供的金属单质膜/碳复合材料中，碳微球位于金属衬底和金属单质膜之间形成金属衬底/碳微球/金属单质的三明治结构，大大缓解了金属材料在充放电过程中的体积变化，具有良好的结构稳定性，用作锂离子电池负极时具有良好的循环稳定性和优异的电化学性能。

本发明提供的金属单质膜/碳复合材料中，金属衬底为Cu衬底或Ni衬底，优选为铜网衬底。铜网具有较大的比表面积，能够提高复合材料的性能。

本发明提供的金属单质膜/碳复合材料中，碳微球为纳米微球，其粒径为100nm～1μm。

本发明提供的金属单质膜/碳复合材料中，所述金属单质膜为Sn膜。

本发明还提供了一种金属单质膜/碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将金属衬底和碳源水溶液混合进行水热反应，获得表面生长有碳微球的衬底；

在所述表面生长有碳微球的衬底上形成金属单质膜。

本发明将金属衬底和碳源水溶液混合进行水热反应，在衬底表面生长碳微球。具体而言，包括以下步骤：

将碳源水溶液和金属衬底置于聚四氟乙烯内衬中在密闭的水热釜中进行水热反应，获得表面生长有碳微球的衬底。

其中，碳源水溶液可以为葡萄糖水溶液，摩尔浓度为0.01～0.1mol/L；金属衬底为铜网，所述铜网经过如下预处理：对衬底依次采用稀盐酸、去离子水、乙醇超声清洗。所述水热反应可以在电烘箱中进行，水热反应的温度为140～180℃，更优选为160～180℃；所述水热反应的时间优选为3～8h,更优选为4～6h。

水热反应完毕后，自然冷却至室温后，将表面生长有碳微球的衬底取出后进行清洗，依次用乙醇、去离子水清洗并在真空烘箱中烘干，所述烘干的温度优选为80℃，所述烘干的时间优选为12h。