本發(fā)明涉及無機(jī)碳基復(fù)合材料的制備和應(yīng)用領(lǐng)域，具體地，涉及三維超薄碳基復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

鋰離子電池因其具有電壓高、放電平穩(wěn)、大電流放電等性能，且比能量高、無污染、循環(huán)性能好，在多種領(lǐng)域已經(jīng)成為最重要的能源之一，例如，便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)車輛和能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)。鋰離子電池的負(fù)極是由負(fù)極活性物質(zhì)碳材料或非碳材料、粘合劑和添加劑混合制成糊狀膠合劑均勻涂抹在銅箔兩側(cè)，經(jīng)干燥、滾壓而成。目前，已實(shí)際用于鋰離子電池的負(fù)極材料一般都是碳素材料，如石墨、軟碳(如焦炭等)、硬碳等。商業(yè)化鋰離子電池廣泛使用的負(fù)極材料主要是石墨類材料，但石墨理論容量低且有安全性問題,因此高理論容量、安全性好的新型負(fù)極材料得到越來越多的關(guān)注。設(shè)計(jì)和制備高性能鋰離子電池負(fù)極材料是滿足鋰離子電池向電動(dòng)設(shè)備發(fā)展的關(guān)鍵因素。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供三維超薄碳基復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，制得的三維超薄碳基復(fù)合材料，其外表具有片狀結(jié)構(gòu)且呈現(xiàn)包覆狀態(tài)，比表面積比較大，有利于電解液的滲透、擴(kuò)散和離子的傳輸，且利用其制得的鋰離子電池，其充放電可逆容量比較穩(wěn)定，展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種三維超薄碳基復(fù)合材料的制備方法，其中，所述制備方法包括：

1)將硝酸鹽溶液與固態(tài)碳源混合，制得浸濕的固態(tài)碳源，將上述制得的浸濕的固態(tài)碳源烘干，制得含有硝酸鹽的固態(tài)碳源；

2)將步驟1)中制得的所述含有硝酸鹽的固態(tài)碳源在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行煅燒，得到三維超薄碳基復(fù)合材料。

本發(fā)明還提供了一種三維超薄碳基復(fù)合材料，其中，所述三維超薄碳基復(fù)合材料由上述的制備方法制得。

本發(fā)明還提供了一種根據(jù)上述的三維超薄碳基復(fù)合材料在鋰離子電池中的應(yīng)用。

通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供了一種三維超薄碳基復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，所述制備方法包括：將硝酸鹽溶液與固態(tài)碳源混合，制得浸濕的固態(tài)碳源，將上述制得的浸濕的固態(tài)碳源烘干，制得含有硝酸鹽的固態(tài)碳源；將制得的所述含有硝酸鹽的固態(tài)碳源在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行煅燒，得到三維超薄碳基復(fù)合材料；制得的三維超薄碳基復(fù)合材料，其外表具有片狀結(jié)構(gòu)且呈現(xiàn)包覆狀態(tài)，比表面積比較大，有利于電解液的滲透、擴(kuò)散和離子的傳輸，且利用其制得的鋰離子電池，其充放電可逆容量比較穩(wěn)定，展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說明。

附圖說明

附圖是用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是實(shí)施例1制得的三維超薄碳基復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片；

圖2是實(shí)施例4制得的三維超薄碳基復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片；

圖3是實(shí)施例5制得的三維超薄碳基復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片；

圖4是實(shí)施例6制得的三維超薄碳基復(fù)合材料的掃描電子顯微鏡照片；

圖5是對(duì)比例1制得的含鐵化合物的掃描電子顯微鏡照片；

圖6是對(duì)比例2制得的黑色固態(tài)碳的掃描電子顯微鏡照片；

圖7是應(yīng)用例1制得的鋰離子電池的充放電曲線圖。

具體實(shí)施方式

以下對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

本發(fā)明提供了一種三維超薄碳基復(fù)合材料的制備方法，所述制備方法包括：1)將硝酸鹽溶液與固態(tài)碳源混合，制得浸濕的固態(tài)碳源，將上述制得的浸濕的固態(tài)碳源烘干，制得含有硝酸鹽的固態(tài)碳源；2)將步驟1)中制得的所述含有硝酸鹽的固態(tài)碳源在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行煅燒，得到三維超薄碳基復(fù)合材料。

為了使得制得的三維超薄碳基復(fù)合材料具備更高的穩(wěn)定性，利用其制得的鋰離子電池性能更優(yōu)，所述硝酸鹽溶液的濃度不低于0.1mol/L。

為了使得制得的三維超薄碳基復(fù)合材料具備更高的穩(wěn)定性，制得的復(fù)合材料呈現(xiàn)包覆狀態(tài)，形成較大的比表面積，從而利于電解液的滲透、擴(kuò)散和離子的傳輸，所述硝酸鹽溶液為硝酸鐵溶液、硝酸鈷溶液、硝酸鎳溶液、硝酸銅溶液和硝酸錳溶液中的一種或多種。

所述固態(tài)碳源可以為各類生物炭，在本發(fā)明中，為了使得制得的三維超薄碳基復(fù)合材料具備更高的穩(wěn)定性，利用其制得的鋰離子電池性能更優(yōu)，所述固態(tài)碳源為定性濾紙、脫脂棉和纖維尼龍繩中的一種或多種。

為了將固態(tài)碳源煅燒充分，步驟2)中煅燒溫度為400-900℃，且煅燒時(shí)間為2-10h；升溫速率為3-10℃/min。

所述煅燒在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行，所述惰性氣體為氮?dú)?、氦氣和氬氣中的一種或多種。

為了使得硝酸鹽溶液能夠充分浸濕固態(tài)碳源，相對(duì)于1.02g固態(tài)碳源，所述硝酸鹽溶液的用量為1-8mL。

本發(fā)明還提供了一種三維超薄碳基復(fù)合材料，其中，所述三維超薄碳基復(fù)合材料由上述的制備方法制得。

本發(fā)明還提供了一種根據(jù)上述的三維超薄碳基復(fù)合材料在鋰離子電池中的應(yīng)用。

所述應(yīng)用方法為將三維超薄碳基復(fù)合材料、超級(jí)P-Li導(dǎo)電炭黑和PVDF粘合劑混合研磨后，涂覆于銅箔上，而后烘干并壓實(shí)，制得金屬片A1；將上述制得的金屬片A1置于惰性氣體中組裝，制得鋰離子電池。

其中，相對(duì)于70重量份的所述三維超薄碳基復(fù)合材料，所述超級(jí)P-Li導(dǎo)電炭黑的用量為18-22重量份，所述PVDF粘合劑的用量為8-12重量份。

以下將通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

稱取13.8g九水合硝酸鐵，將其加入到10mL去離子水中，攪拌制得硝酸鹽溶液，稱取1.08g定性濾紙，將2mL硝酸鹽溶液滴加在濾紙上使其完全浸潤，將上述制得的浸濕的固態(tài)碳源在45℃下烘干(烘烤時(shí)間為12h)，制得含有硝酸鹽的固態(tài)碳源，將含有硝酸鹽的固態(tài)碳源在氮?dú)夥諊蚂褵?煅燒溫度為750℃，750℃下煅燒的時(shí)間為6h，煅燒溫度升至750℃中的升溫速率為10℃/min)，得到三維超薄碳基復(fù)合材料A1，其掃描電子顯微鏡(SEM)照片見圖1。

實(shí)施例2

按照實(shí)施例1的方法進(jìn)行制備，不同的是，九水合硝酸鐵的用量為9.2g，最終得到三維超薄碳基復(fù)合材料A2。

實(shí)施例3

按照實(shí)施例1的方法進(jìn)行制備，不同的是，九水合硝酸鐵的用量為2g，最終得到三維超薄碳基復(fù)合材料A3。

實(shí)施例4

按照實(shí)施例1的方法進(jìn)行制備，不同的是，稱12g六水合硝酸鈷，將其加入到10mL去離子水中，攪拌制得硝酸鹽溶液，最終得到三維超薄碳基復(fù)合材料A4，其掃描電子顯微鏡(SEM)照片見圖2。

實(shí)施例5

按照實(shí)施例1的方法進(jìn)行制備，不同的是，稱9.63g六水合硝酸鎳，將其加入到10mL去離子水中，攪拌制得硝酸鹽溶液，最終得到三維超薄碳基復(fù)合材料A5，其掃描電子顯微鏡(SEM)照片見圖3。

實(shí)施例6

按照實(shí)施例1的方法進(jìn)行制備，不同的是，煅燒溫度為400℃，400℃下的煅燒時(shí)間為10h，煅燒溫度升至400℃中的升溫速率為3℃/min，最終得到三維超薄碳基復(fù)合材料A6，其掃描電子顯微鏡(SEM)照片見圖4。

實(shí)施例7

按照實(shí)施例1的方法進(jìn)行制備，不同的是，煅燒溫度為900℃，900℃下的煅燒時(shí)間為2h，煅燒溫度升至900℃中的升溫速率為10℃/min，最終得到三維超薄碳基復(fù)合材料A7。

應(yīng)用例1

將實(shí)施例1中制得的三維超薄碳基復(fù)合材料7g、超級(jí)P-Li導(dǎo)電炭黑2g和PVDF粘合劑10g混合研磨后，涂覆于銅箔上，而后烘干并壓實(shí)，制得金屬片；將上述制得的金屬片置于惰性氣體中組裝，制得鋰離子電池；并測(cè)試制得的鋰離子電池的電池容量及循環(huán)性能，結(jié)果見圖7。

對(duì)比例1

稱取13.8g九水合硝酸鐵，將其在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為750℃，750℃下的煅燒時(shí)間為6h，溫度升至750℃中的升溫速率為10℃/min，得到含鐵化合物D1，其掃描電子顯微鏡(SEM)照片見圖5。

對(duì)比例2

稱取1.08g定性濾紙，將其在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行煅燒，煅燒溫度為750℃，750℃下的煅燒時(shí)間為6h，溫度升至750℃中的升溫速率為10℃/min，得到黑色固態(tài)碳D2，其掃描電子顯微鏡(SEM)照片見圖6。

在本發(fā)明范圍內(nèi)制得的三維超薄碳基復(fù)合材料A1-A7，其外表具有片狀結(jié)構(gòu)且呈現(xiàn)包覆狀態(tài)，比表面積比較大，有利于電解液的滲透和擴(kuò)散，同時(shí)便于離子的傳輸，使得該三維超薄碳基復(fù)合材料具有高穩(wěn)定性、高循環(huán)性能、且內(nèi)阻小，本發(fā)明提供的方法制備的材料尺寸為0.5～4微米，無需后續(xù)篩選。同時(shí)，本發(fā)明對(duì)設(shè)備要求低，無需特殊條件，無需預(yù)燒和混料，普通高溫爐即滿足生產(chǎn)。

圖7為應(yīng)用例1中制備的鋰電子電池的充放電曲線圖，在充放電過程中，充放電可逆容量比較穩(wěn)定，展現(xiàn)了良好的循環(huán)穩(wěn)定性，充放電效率均維持在96％左右。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種簡(jiǎn)單變型，這些簡(jiǎn)單變型均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實(shí)施方式中所描述的各個(gè)具體技術(shù)特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進(jìn)行組合，為了避免不必要的重復(fù)，本發(fā)明對(duì)各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方式之間也可以進(jìn)行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容。