[发明专利]纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料、其金属锂复合物、它们的制备方法及应用

说明书

公开了一种纳米碳颗粒‑多孔骨架复合材料、其金属锂复合物、它们的制备方法及应用。纳米碳颗粒‑多孔骨架复合材料中，多孔骨架是直径1‑100微米的碳基多孔微球材料，或是具有微米尺度孔径分布的内部孔隙的多孔金属材料，纳米碳颗粒分布于碳基多孔微球材料或多孔金属材料的孔隙内及表面上。纳米碳颗粒‑多孔骨架复合材料与熔融金属锂混合形成锂‑纳米碳颗粒‑多孔骨架复合材料，存在于该材料中的纳米碳颗粒可以在电池循环过程中更好地传导锂离子，从而抑制金属锂枝晶的生成，提高电池的安全性和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及一种纳米复合材料，特别涉及一种纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料、其金属锂复合物、它们的制备方法及应用。

背景技术

锂电池因其高的比能量、长的循环寿命等优点，已经广泛应用于消费电子，电动汽车和储能等领域。但是目前锂电池是以含有锂元素的化合物作为正极，和石墨作为负极，而石墨类负极材料的比容量极限约为370mAh/g，基于这种负极材料已经难以进一步提高锂电池的能量密度，难以适应市场对更高能量密度锂电池的需求。由于金属锂负极具有高的比容量(3860mAh/g)，低的电极电势(-3.04V vs标准氢电极)，锂电池因其高的比能量、长的循环寿命，高电压而广泛应用于消费电子、电动汽车和储能等领域。金属锂负极具有高的比容量(3860mAh/g)，低的电极电势(-3.04V vs SHE)和小的密度(0.59g/cm³)一系列优势，采用金属锂作为电池负极能明显提高锂电池的能量密度。同时金属锂作为电池负极，可以提供锂离子，那么正极可以采用容量更高的不含锂元素的材料，例如硫，空气。

然而，金属锂负极电池在循环过程中不断形成枝晶和“死锂”，导致库伦效率低、循环寿命短。更重要的是，枝晶的生长有可能会刺穿隔膜造成正负极相接而发生内部短路，导致释放出大量的热，造成电池的燃烧甚至爆炸。上述问题使金属锂负极在近几十年的应用受到极大的限制。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料、其金属锂复合物、它们的制备方法、包含它们的电极和电化学电池，用以抑制金属锂枝晶的生成，提高电池的安全性和/或循环稳定性。

本发明采用的技术方案包括：

在一些实施方式中提供了一种纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料，其中所述多孔骨架是直径1-100微米的碳基多孔微球材料，或是具有微米尺度孔径分布的内部孔隙的多孔金属材料，所述纳米碳颗粒分布于所述碳基多孔微球材料或所述多孔金属材料的孔隙内及表面上。

在一些实施方式中提供了一种制备纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料的方法，包括：将碳纳米管或碳纳米纤维与纳米碳颗粒一起分散于溶剂中形成分散液，然后喷雾干燥；或者将微米级多孔石墨、中间相碳微球、多孔活性炭或者多孔金属材料浸渍在纳米碳颗粒溶液中，超声处理，然后干燥。

在一些实施方式中提供了一种锂-纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料，其包括上述的纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料，和分布于所述纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料的孔隙内及表面上的金属锂。

在一些实施方式中提供了一种制备金属锂-纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料的方法，包括：将熔融的金属锂与上述的纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料混合，然后冷却。

在一些实施方式中提供了一种电极，其包含上述锂-纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料。

在一些实施方式中提供了一种包括上述电极的电化学储能装置，其中所述电化学储能装置包括电化学电池或超级电容器，

本发明具有以下有益效果中的至少一种：

(1)纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料与熔融金属锂混合形成锂-纳米碳颗粒-多孔骨架复合材料，存在于该材料中的纳米碳颗粒可以在电池循环过程中更好地传导锂离子，从而抑制金属锂枝晶的生成，提高电池的安全性。