[发明专利]一种亲锂碳骨架复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种亲锂碳骨架复合材料，包括三维网络结构，所述三维网络结构层中含有亲锂材料；所述亲锂材料分布于三维网络结构的通孔中；所述三维网络结构层是由纤维状碳纳米材料石墨化构成的碳骨架。本申请的亲锂碳骨架复合材料，能降低成核过电位，优化锂沉积位点，吸引锂金属沉积在三维结构网络中，避免循环过程中金属锂的体积膨胀和锂枝晶的产生，隔绝电解液和锂金属的接触，减少副反应的发生，优化材料的循环性能。

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种亲锂碳骨架复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

锂电池由于能量密度高、寿命长的特点，是一种高效、清洁的新型绿色能源。但是锂金属负极在充电过程中，会出现“锂枝晶”，影响电池的电学性能。现有技术表明，具有一定中孔结构的骨架可以抑制锂枝晶的生长和体积的变化，再通过锂金属的沉积负载锂金属，用于锂电池。

然而碳纳米管和锂金属之间的浸润性较差，没有在微球内部负载具有亲锂性的材料，会导致锂金属直接沉积在碳微球表面以及颗粒之间，而不会被吸引沉积在颗粒内部的孔洞中。这种沉积方式会导致巨大的体积膨胀和锂枝晶的产生，同时锂金属和电解液之间的直接接触，会造成更多副反应的发生，导致活性金属锂的消耗，最终电池的循环寿命大幅下降。

一般来说，锂金属都是沉积在颗粒表面或者颗粒与颗粒之间。碳材料易于制备大比表面积和多孔的结构，但是碳材料一般都是疏锂的，不能有效吸引锂金属，同时在孔结构较少的情况下，也无法为锂金属的沉积提供足够的空间。

发明内容

本申请针对现有技术的缺陷提供了一种亲锂碳骨架复合材料，其为纤维状碳纳米材料石墨化得到的三维网状结构，内部包含有亲锂材料，降低成核过电位，优化锂沉积位点，吸引锂金属沉积在三维结构网络中，避免循环过程中金属锂的体积膨胀和锂枝晶的产生，隔绝电解液和锂金属的接触，减少副反应的发生，优化材料的循环性能。

根据本申请的一个方面，提供了一种亲锂碳骨架复合材料，包括三维网络结构，所述三维网络结构中含有亲锂材料；所述亲锂材料分布于三维网络结构的通孔中；所述三维网络结构是由纤维状碳纳米材料石墨化构成的碳骨架。

普通的热解碳多孔材料，石墨化程度低，结构不够稳定，无论是辊压时还是沉积锂金属过多时，颗粒都较容易破裂，同时含有闭合的孤立的孔，无法提供足够的孔进行大量锂金属的沉积。而由长径比(纤维状碳纳米材料的长度和直径的比值)较大的纤维状碳纳米材料编织而成制备得到的碳骨架中，碳纳米纤维之间可以进行一定程度的滑移，并不是完全固定，因此，当由于锂金属沉积或熔融进入碳骨架时，会由于纤维状碳纳米材料的滑动而更好的容纳体积的膨胀，使得整体的结构更加稳定，在后续电池应用时也更加安全。

可选地，所述长径比的取值范围为：5:1～200:1。

可选地，所述长径比的取值范围为5:1、6:1、7:1、8:1、9:1、10:1、20:1、30:1、40:1、50:1、60:1、70:1、80:1、90:1、100:1、110:1、120:1、130:1、140:1、150:1、160:1、170:1、180:1、190:1、200:1或任意两个数值中的任意一个比值。

长径比低于5:1，无法编织成互相缠绕结构，导致结构不稳定，容易破裂；长径比过大，则会造成喷雾后的材料中孔隙不足。

可选地，所述纤维状碳纳米材料选自气相生长炭纤维、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的至少一种。

可选地，所述纤维状碳纳米材料为气相生长炭纤维。

可选地，所述亲锂材料包括金、银、锌、硅、磷、钛及其相应的氧化物或盐中的至少一种。

可选地，所述亲锂材料包括金、含有金元素的盐、银、含有银元素的盐、锌、锌的氧化物、含有锌元素的盐、硅、硅的氧化物、磷、TiO₂等。