[发明专利]含有金属涂层的碳材料、其制备方法及应用

说明书

本发明提供了一种含有金属涂层的碳材料、其制备方法及应用，所述制备方法包括以下步骤：A)将碳材料在酸溶液中进行表面氧化，然后与催化剂溶液混合，得到表面负载催化剂的碳材料；B)将所述表面负载催化剂的碳材料在金属待镀液中进行沉积，得到含有金属涂层的碳材料。按照上述方案制备得到的含有金属涂层的碳材料可以实现锂的快速润湿和扩散。由这种含有金属涂层的碳材料制备得到的锂金属电池负极材料可以保证锂金属电池具有较优的循环稳定性。此外，由这种含有金属涂层的碳材料制备得到的锂金属电池负极材料在反复的弯曲过程中表现出优异的机械稳定性。

技术领域

本发明涉及纤维生产技术领域，尤其涉及一种含有金属涂层的碳材料、其制备方法及应用。

背景技术

随着可穿戴电子设备、智能服装、电子皮肤、可弯曲智能手机、折叠式显示器和可植入式医疗器械的迅速发展，传统锂离子电池因其体积较大、刚性较强而无法满足柔性要求。

对于持续供电的可穿戴设备来说，具有高能量密度和电化学稳定性的轻型柔性储能单元是非常有必要的。尽管已经有很多研究关于通过结构互联或材料设计来提高锂离子电池的柔性性能，但是所使用的插层电极已经达到理论比容量的极限。

在所有可用于锂电池电极的材料中，金属锂因其较高的理论比容量(3860mAh/g)和较低的电化学电位(-3.04V，相对于标准氢电极)，使得到的锂电池具有较高的能量密度，因而，金属锂是最理想的阳极。赤裸的锂箔电极虽然具有上述的优点，然而，在反复的弯曲过程中，赤裸的锂箔电极的电阻会持续增加，甚至出现形变断裂。再者，循环过程中锂箔的枝晶生长和较大的体积变化均会导致库伦效率降低、不可逆的容量损失、电解质快速干涸甚至内部短路，进一步阻碍了其在柔性储能材料中的应用。

现有技术报道了一些可以稳定传统锂金属阳极的方法，包括人工设计的固体电解质界面(SEI)，使用电解质添加剂以及开发高表面积的载锂基材。然而，前两种方法并不能解决锂金属阳极的机械稳定性。因此，出现了各种柔性亲石性基材比如富氧石墨烯薄膜、镍纳米线纸、银或硅涂层纸、含有氧化锌涂层的聚酰亚胺(PI)碳纸通过热浸渍法用于储存锂。与电镀相比，热浸渍法通过吸收熔融锂具有简单、可靠、生产效率高和锂分布均匀的优点。然而，液体锂在上述基材上的润湿和扩散较慢，不适合于实际的大规模生产。例如，在柔性或刚性的衬底上阵列印刷液体锂要求高湿润性、快速的扩散速度和锂金属任意尺度的均匀性。再者，熔化过程引入的含氧官能团杂质或锂合金，导致锂金属电池的库伦效率和循环稳定性较差。因此，同时实现锂阳极的机械稳定性和化学稳定性仍然是一个巨大的挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种含有金属涂层的碳材料、其制备方法及应用，本发明制备的含有金属涂层的碳材料可以实现锂的快速润湿和扩散，得到的锂金属电池负极材料可以保证锂金属电池具有较优的循环稳定性。

本发明提供了一种含有金属涂层的碳材料的制备方法，包括以下步骤：

A)将碳材料在酸溶液中进行表面氧化，然后与催化剂溶液混合，得到表面负载催化剂的碳材料；

B)将所述表面负载催化剂的碳材料在金属待镀液中进行沉积，得到含有金属涂层的碳材料。

优选的，所述碳材料包括碳纤维、碳线、编织碳布、无纺织碳布、碳纸或碳毡。

优选的，步骤A)中，将碳材料在酸溶液中进行表面氧化具体为：将碳材料浸入酸溶液中，在25～60℃下，超声处理5～60min；或将碳材料浸入酸溶液中，在25～60℃下，氧等离子处理5～60min；

所述酸溶液包括硫酸溶液和硝酸溶液，所述硫酸溶液和硝酸溶液的体积比为3：1；

所述催化剂溶液为氯钯酸铵的水溶液，所述氯钯酸铵的水溶液的浓度为1×10^-4～5×10^-3mol/L；