[发明专利]一种碘修饰的纺锤形生物碳材料及其在制备金属锂负极中的应用

说明书

本发明公开了一种碘修饰的纺锤形生物碳及其在制备金属锂负极中的应用。所述生物炭通过以下方法制备：(1)取商用孢子粉，用酒精浸泡、超声后抽滤；(2)将处理后的孢子粉放入酒精和甲醛水溶液组成的混合溶液中固化其形貌后抽滤；(3)将固化孢子粉放入硫酸溶液处理得到预碳化的孢子粉；(4)将预碳化的孢子粉高温碳化得到纺锤形生物碳材料；(5)将纺锤形生物碳材料和单质碘混合、研磨、热处理，得到碘修饰的纺锤形生物碳材料。本发明提供了所述碘修饰的纺锤形生物碳材料在制备金属锂负极中的应用。本发明可以有效解决金属锂负极材料在电池充放电循环过程中产生的金属锂枝晶的生长和“死锂”问题，提高锂电池的循环寿命和电化学性能。

(一)技术领域

本发明属于锂电池领域，涉及到一种碘修饰的纺锤形生物碳材料及其在制备金属锂负极中的应用。

(二)背景技术

快速发展的社会需求和急剧消耗的自然资源都迫使人类去不断地升级和开发更高能量密度、更高功率密度的电池系统。传统的锂离子电池广泛使用的石墨电极，其理论容量较低(372mAh/g)，将难以满足电动汽车和其他大型用电设备的需求。金属锂负极作为一种新兴负极材料，其理论容量为石墨负极的10倍(3860mAh/g)，而且具有密度小、标准电极电位较低等优势，对于它的开发与利用已成为现在研究的热点。但是由于金属锂活泼的化学性质，存在容易生长枝晶等问题，严重制约了金属锂电池的发展。目前，金属锂负极主要存在如下问题：(1)在电池反复充放电的过程中，金属锂负极会自发地生长枝晶。枝晶可以刺穿隔膜造成电池内部短路，引起热失控以及电池失效，甚至引发安全性问题。(2)锂枝晶与电解液的界面极为活泼，将会形成不稳定的固态电解质界面膜(SEI)。这层SEI会不断地发生破裂-修复的过程，导致金属锂负极表面形成过厚的SEI膜，造成金属锂的腐蚀和孤立，以及电池内阻的增大，进而造成电池效率损失等问题。目前，已有大量研究致力于对金属锂负极进行改性处理，以期抑制金属锂枝晶的形成，提高其循环寿命和电化学性能，其中包括在金属锂负极表面修饰高强度保护层；在电解液中加入合适的添加剂调控SEI的组成和结构；将锂金属存储在三维多孔集流体中，缓解金属锂在电池循环过程中严重的体积效应。然而这些方法往往工艺复杂，成本过高，不利于大规模应用，现在还急需寻找到一种合适抑制金属锂枝晶形成，提升锂负极性能的方法。

(三)发明内容

本发明的第一个目的是提供一种碘修饰的纺锤形生物碳材料，其结构和组成特别适用于修饰金属锂负极，可以有效解决金属锂负极材料在电池充放电循环过程中不可避免产生的金属锂枝晶的生长和“死锂”问题，提高锂电池的循环寿命和电化学性能。

本发明的第二个目的是提供所述碘修饰的纺锤形生物碳材料在制备金属锂负极中的应用，可以有效解决金属锂负极材料在电池充放电循环过程中不可避免产生的金属锂枝晶的生长和“死锂”问题，提高锂电池的循环寿命和电化学性能。

为了实现上述发明目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种碘修饰的纺锤形生物碳材料，其通过以下方法制备：

(1)取商用孢子粉，用酒精浸泡，超声1-6小时后抽滤；

(2)将步骤(1)处理后的孢子粉放入酒精和甲醛水溶液组成的混合溶液中搅拌5-60分钟，固化其形貌后抽滤；

(3)将步骤(2)得到的固化孢子粉放入10-16mol/L的硫酸溶液中，在60-90℃加热搅拌1-10小时，水洗抽滤，干燥得到预碳化的孢子粉(BC)；

(4)将步骤(3)得到的预碳化的孢子粉放入管式炉，在氩气和/或氮气气氛下，以5-20℃/min的升温速率升温至500-800℃，保温碳化1-10小时，得到纺锤形生物碳材料；

(5)将步骤(4)得到的纺锤形生物碳材料和单质碘按照质量比1-5：1混合，研磨，将混合物放入真空烘箱，在高于碘的熔点的温度条件下进行充分热处理，使得碘均匀分散到纺锤形生物碳材料的孔道中，得到碘修饰的纺锤形生物碳材料(I₂@BC)。