[发明专利]一种3D锂金属负极的亲锂性多孔复合碳骨架及其制备方法和应用有效
申请号: | 202010891085.2 | 申请日: | 2020-08-30 |
公开(公告)号: | CN113540454B | 公开(公告)日: | 2022-10-14 |
发明(设计)人: | 洪波;赖延清;姜怀;易茂义;张治安;张凯;方静 | 申请(专利权)人: | 中南大学 |
主分类号: | H01M4/62 | 分类号: | H01M4/62;H01M4/134;H01M10/052 |
代理公司: | 长沙市融智专利事务所(普通合伙) 43114 | 代理人: | 赵进;颜勇 |
地址: | 410083 湖南*** | 国省代码: | 湖南;43 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 金属 负极 亲锂性 多孔 复合 骨架 及其 制备 方法 应用 | ||
1.一种3D锂金属负极的亲锂性多孔复合碳骨架,其特征在于:为具有内部连通孔结构的薄壁多孔碳骨架,所述薄壁多孔碳骨架中原位内嵌有Ni2P纳米粒子,且表面掺杂有含磷官能团;
所述的3D锂金属负极的亲锂性多孔复合碳骨架的制备方法包括如下步骤:
步骤一
将SiO2模板、表面活性剂和镍源加入水中混合搅拌均匀,调整pH值为8~12,再加入碳源进行搅拌后干燥,得到镍源原位内嵌的多孔复合碳骨架前驱体;
步骤二
将所述的镍源原位内嵌的多孔复合碳骨架前驱体于惰性气氛下焙烧,镍源分解获得Ni纳米粒子原位内嵌的多孔碳复合骨架;
步骤三
将Ni纳米粒子原位内嵌的多孔碳复合骨架于惰性气氛下磷化,刻蚀去除SiO2模板后即得亲锂性多孔复合碳骨架。
2.如权利要求1所述的亲锂性多孔复合碳骨架,其特征在于:所述的多孔碳骨架为石墨化碳和无定形碳中的至少一种;薄壁多孔碳骨架的比表面积为20~1050 m2/g;壁厚为2~100nm;连通孔所形成的腔室的体积占比为40~95%。
3.如权利要求1所述的亲锂性多孔复合碳骨架,其特征在于:薄壁多孔碳骨架中原位内嵌的Ni2P纳米粒子的粒径大小为0.1~100 nm;含量占整个多孔复合碳骨架的比为5~60at.%;
表面掺杂的含磷官能团中的磷含量占整个多孔复合碳骨架的比为2~9 at.%。
4.如权利要求1所述的3D锂金属负极的亲锂性多孔复合碳骨架,其特征在于:步骤一中,表面活性剂、镍源、碳源、SiO2模板的重量比为0.1~1:1~20:30~50:30~50;镍源的浓度为0.5~80 g/L;SiO2模板的粒径为110~500nm;碳源为蔗糖、淀粉、木薯粉、聚多巴胺中的一种或几种;表面活性剂为 PVP、CTAB、SDS 中的一种或几种;镍源为氯化镍、硫酸镍、硝酸镍、乙酸镍中的至少一种。
5.如权利要求1所述的3D锂金属负极的亲锂性多孔复合碳骨架,其特征在于:步骤二中,焙烧过程的升温速率为0.5~20 ℃/min;焙烧温度为500~1200 ℃;焙烧时间为60~500min;
步骤三中,所述的磷化处理的升温速率为0.5~10 ℃/min;温度为250~600 ℃;时间为1~8h。
6.如权利要求1所述的3D锂金属负极的亲锂性多孔复合碳骨架,其特征在于:步骤三中,所述的磷化处理中的磷源为偏磷酸盐、次磷酸盐中的至少一种;磷源与Ni纳米粒子原位内嵌的多孔碳复合骨架的质量比0.5:1~20:1;惰性气氛下的通气速率为100~500 ml/min;刻蚀为酸液刻蚀或碱液刻蚀中的一种;刻蚀温度为50~120 ℃,刻蚀时间为6~12 h。
7.权利要求1-6任一项所述的3D锂金属负极的亲锂性多孔复合碳骨架的应用,其特征在于:将亲锂性多孔复合碳骨架材料和胶粘剂混合浆化作为活性层,涂覆于平面金属集流体上,再向活性层中填充金属锂,制得三维多孔锂金属阳极。
8.如权利要求7所述的3D锂金属负极的亲锂性多孔复合碳骨架的应用,其特征在于:所述的活性层的厚度为2~800 μm;活性层复合在所述的平面金属集流体的两个平面;填充金属锂的方法为电沉积和/或熔融灌锂;填充金属锂的量为0.4~150 mAh/cm2;胶粘剂为聚乙烯醇、聚四氟乙烯、羧甲基纤维素钠、聚乙烯、聚丙烯、聚偏四氟乙烯、SBR橡胶、氟化橡胶、聚胺酯中的至少一种;所述的胶粘剂占活性层之比为1~40 wt.%。
9.权利要求7或8所述的三维多孔锂金属阳极的应用,其特征在于:将其作为电极材料,用于组装成金属锂电池;所述的金属锂电池为锂硫电池、锂碘电池、锂硒电池、锂碲电池、锂氧气电池或锂二氧化碳电池。
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