[发明专利]碳纳米片的制备方法和正极材料及其制备方法

说明书

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种碳纳米片的制备方法和正极材料及其制备方法。该碳纳米片的制备方法包括如下步骤：提供铝源和4,4’‑联苯二甲酸；将所述铝源和4,4’‑联苯二甲酸溶于有机溶剂中进行加热处理，然后固液分离，得到自组装的铝基金属有机骨架；将所述铝基金属有机骨架依次进行碳化处理和酸处理，然后烘干，得到碳纳米片。该制备方法工艺简单，成本低廉，最终得到碳纳米片具有鳞片状的表面结构，而且具有分级多孔结构及超大的比表面积，无需额外的碳质活化及脱模板过程，可与硒复合作为锂硒离子电池的正极材料，具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种碳纳米片的制备方法和正极材料及其制备方法。

背景技术

锂离子电池由于具有比能量高、循环寿命长及环境友好等特点，在便携电子设备以及电动汽车领域得到了广泛的应用。然而，随着锂离子电池需求量的增加，其所需锂资源本身的稀缺性以及地域分布不均匀性等问题日益凸显，基于石墨、插层化合物的锂离子电池已不能满足社会发展的需求，因此，近些年来有关可替换锂电体系的研发工作受到研究人员的广泛关注，其中，作为与硫同族的元素，硒(Se)具有与硫(S)类似的分子结构，虽然Se的重量比容量(675mAh g^-1)远低于S(1675mAh g^-1)，但是Se的密度是S的～2.5倍，因此Li-Se电池在体积比容量上具有极大的优势，有望解决用电设备电源配制空间不足的问题，因此在移动消费电子、混合式/纯电动汽车及国防军工等领域极具应用前景。

单质Se的电导率(1×10^-3S/m)远高于S(5×10^-28S/m)，这预示着Se作为电极材料将拥有更高的活性物质利用率、更好的电化学活性和更快的电化学反应速度，因此Li-Se电池在过去几年引起了极大的关注，但是当前所有的研究工作都处于非常早期的阶段，仍然存在诸多问题需要解决，如同含硫正极材料一样，含有Se的正极材料在反应过程中会溶解于电解液，所形成的高度有序的多硒化物会产生“穿梭效应”导致电极材料本身体积膨胀及不可逆的损坏，进而导致电池表现出较低的库仑效率及快速的容量衰减。

利用Se(有较低的熔点221℃)融化后与多孔碳材料进行复合可以有效的降低多硒化物的溶解，且能够提高正极材料的导电性，从而提高电池的倍率性能。孔隙内的空隙为Se转化为硒化锂(Li₂Se)预留了空间，从而缓解了体积膨胀引起的电极粉化及碎裂，进而提高电池的循环寿命和比容量，在众多的报道中，石墨烯具有较高的机械性能、较大的比表面积、极佳的化学稳定性和导电性，因此近年来被广泛的应用于能量储存及转换领域，然而目前通过化学气相沉积的方法制备的类石墨烯二维材料均采用金属薄片(镍或铜)作为基底，且形貌方面多呈现平面的二维层状结构，由于类石墨烯碳材料间强烈的π-π键合作用，片体结构间常会出现不可逆的聚集和叠加现象，这使得材料间的夹层接触电阻变大并降低了石墨烯的导电率，因此极大的限制了石墨烯的电化学性能发挥。为了有效地抑制这种现象发生，并提高二维碳材料的电化学性能，一个很有前景的策略是将二维炭材料做成非平面的二维结构，而目前这类具有特殊形貌的二维碳材料的制备方法主要有模板法、化学气相沉积法，但是从实际应用角度看，这样做会增加不必要的投入，同时还会使制备过程变得更为复杂，在脱去模板过程中又会提高制备成本，造成环境污染等问题，因此探索工艺简单、成本低廉且性能优异的制备方法是促进二维碳材料良性发展的关键。

近年来出现以金属有机骨架(Metal organic Framework，MOF)为前驱体制备碳纳米片的报道，如CN106025239A报道了一种利用片状ZIF-8制备2D氮掺杂的碳纳米片，但该方法制备的碳纳米片形貌较为单一，难于实现形貌的可控制备，另外为了实现较大的比表面积其采用了KOH进行活化处理，这无疑会增加制备成本，同时对环境及设备造成一定的化学污染。

因此，现有技术有待改进。

发明内容