[发明专利]一种超快充高容量磷烯复合活性炭材料

说明书

本发明公开了一种超快充高容量磷烯复合活性炭材料，该复合活性炭材料是在活性炭的表面包覆磷烯层而成，既可以利用表面层的磷烯进行嵌锂反应来提高活性炭材料的克容量，又可以保证活性炭的本征双电层吸附，结合磷烯的快速反应，使得复合材料兼具有高容量与超快倍率，本发明在保证材料的超快倍率充放电性能的同时，提高材料的克容量，将应用领域由双电层电容器拓宽至锂离子电容器以及锂离子电池。

技术领域

本发明涉及双电层电容器电极材料技术领域，具体涉及一种超快充高容量磷烯复合活性炭材料。

背景技术

随着新能源电动汽车的普及，充电难这个问题愈发突出。锂离子电池汽车充电时间一般为7小时以上，快充型汽车一般为30分钟以上。传统燃油车的加油时间约为10～15分钟，新能源汽车充电时间长的问题给用户带来了不好的体验感，所以用户迫切需求10～15分钟充电的新能源汽车储能装置。

超级电容器的充电速度一般为分钟级别，但其能量密度只有10Wh/kg左右，仅为锂离子电池的二十分之一左右，所以锂离子电容器应运而生。锂离子电容器是一种同时拥有双电层电容器和锂离子二次电池性质的电容器，它在利用一般双电层电容器原理的同时，负极材料使用可吸藏锂离子的碳系材料，在其中添加锂离子，提高了能量密度。

磷的理论克容量接近2600mAh/g(Li3P)，是石墨的7倍。磷分为白磷、红磷、黑磷，其中白磷有毒且熔点低，红磷易燃且微溶于水，黑磷导电性好、反应活性最弱、空气中最稳定且密度大，所以黑磷最适用于锂离子电池。黑磷的晶胞远大于石墨的晶胞，形成的嵌锂反应通道间距为0.43nm，大于石墨的0.3354nm，这一特征决定了锂离子在正交晶型的黑磷中有高的扩散系数。以磷烯材料为例，锂离子在其中的扩散速率比石墨快100到10000倍。黑磷的电子导电率高达102S/m，不低于石墨的101～103S/m。另外，由于磷的嵌锂电位为0.8V，高于硅的0.4V，磷的密度为2.69g/cm3，高于硅的2.33g/cm3，所以黑磷非常适合锂电负极材料，同样适合作为锂离子电容器负极。

中国发明专利CN101356607B公开了一种双电层电容器用磷话务复合活性炭，其中磷原子含量为1000～20000ppm。该磷为非磷烯材料，并且含量低，复合材料克容量与原活性炭克容量相当，能量密度未有显著提升，所以该复合材料仅适合用于双电容电容器，不能适用于锂离子电容器甚至锂离子电池负极。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有技术不足，现提出一种超快充高容量磷烯复合活性炭材料，在保证材料的超快倍率充放电性能的同时，提高材料的克容量，将应用领域由双电层电容器拓宽至锂离子电容器以及锂离子电池。

(二)技术方案

本发明通过如下技术方案实现：本发明提出了一种超快充高容量磷烯复合活性炭材料，该复合活性炭材料是在活性炭的表面包覆磷烯层而成，既可以利用表面层的磷烯进行嵌锂反应来提高活性炭材料的克容量，又可以保证活性炭的本征双电层吸附，结合磷烯的快速反应，使得复合材料兼具有高容量与超快倍率。

进一步的，所述磷烯层通过水热或化学气相沉积法与活性炭复合。

进一步的，所述磷烯层的厚度为5～100nm，过厚的包覆层将极大的影响内层活性炭对电解液中的锂离子进行吸附，另外过厚的包覆层使得磷不再具有磷烯的特性，所以包覆层厚度不宜过厚。

进一步的，所述活性炭材料的粒径D50为5～20μm，比表面积大于2000m²/g，一般锂离子电池负极材料石墨的D50粒径为5～20μm，所以相似粒径的本复合材料可以适用于锂离子电池。由于活性炭材料是双电层吸附原理来储能的，所以高比表面积具有更高的比电容。