一种复合材料及其制备方法和应用技术

本申请涉及一种复合材料及其制备方法和应用，属于锂电池技术领域，复合材料包括硬碳基体和金属基颗粒，硬碳基体具有开放的孔隙结构，孔隙结构为微孔结构和/或介孔结构，金属基颗粒分布于硬碳基体；金属基颗粒具有较高的导电性、比容量和密度，通过在硬碳基体上附着金属基颗粒，有助于改善硬碳基体的导电性和比容量；同时硬碳基体具有合适的孔隙结构，能够适应金属基颗粒在工作过程中的体积变化，提供体积缓冲空间；另外硬碳基体还能增加电接触，可以更好地提高锂电池的充放电性能。以更好地提高锂电池的充放电性能。以更好地提高锂电池的充放电性能。

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料及其制备方法和应用


[0001]本申请涉及锂电池
，尤其涉及一种复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]锂离子电池技术于1991年首次商业化，由于其高能量密度、高工作电压和低自放电率而成为最成功的储能装置之一。其中电极材料是决定电池性能和寿命的关键因素，它们可提供穿梭锂离子的通道，从而实现锂离子电池摇椅式的储能机理。锂离子电池负极需要由相对于锂电极电势更低的材料构成，具有高比容量和较好的充放电可逆性，并在嵌锂的过程中保持良好的尺寸和机械稳定性。
[0003]目前，电池的负极材料仍然以碳材料为主，但由于碳的结构和石墨化程度各不相同，导致它们的电化学性能也存在一定的差异。
[0004]现阶段在锂离子电池负极得到最主流应用的碳材料仍是石墨类材料，包含天然石墨和人工石墨，其具有成本低、充放电电压平台稳定、理论比容量与实际比容量相近等优点，但其嵌锂机理为形成多阶层间化合物，理论比容量本身就较低(LiC6，372mAh/g)，这制约了电池的能量密度，同时人造石墨在生产过程中需要高温处理，增加了生产成本，也产生了污染。石墨具有层状结构，具有较高的各向异性，经过充放电循环后容易因石墨层间距(d≤0.34nm)小于石墨嵌锂化合物的晶面层间距(0.37nm)，从而造成层状结构的坍塌，循环稳定性较差，且与电解质的相容性不高，溶剂分子共嵌入导致造成容量和寿命的衰减。
[0005]硬碳作为非石墨类负极，是无定型碳的一种，具有在2500℃也难以石墨化的特点。由于其石墨层排列杂乱无序，微晶不发达，具有高度各向同性，脱嵌锂不易导致结构破坏，因而具有优良的电化学循环性能，无定型碳也与PC基电解液相容。硬碳层间距大(0.37～0.40nm)，端面多，含有大量微孔和介孔等开放的孔隙结构，比表面积大，具有端面储存和表面储存两种储能机理，具有较高比容量，能够很好地解决石墨类材料遇到的问题。
[0006]硬碳可由高分子聚合物热解得到，其常见的前驱体有生物质碳和酚醛树脂碳。其中，生物质碳虽然来源易得而成本低廉，但残碳量低，并且性质受到所选取的生物质影响，不稳定，很难规模化量产。酚醛树脂碳作为化工材料，性质稳定，结构可调。但酚醛树脂碳存在导电性和比容量低等硬碳材料固有的缺点。

技术实现思路

[0007]本申请提供了一种复合材料及其制备方法和应用，以改善目前硬碳材料导电性和比容量低的问题。
[0008]第一方面，本申请提供了一种复合材料，所述复合材料包括硬碳基体和金属基颗粒，所述硬碳基体具有开放的孔隙结构，所述孔隙结构为微孔结构和/或介孔结构，所述金属基颗粒分布于所述硬碳基体。
[0009]作为一种可选的实施方式，所述孔隙结构的孔径为2
‑
10nm；和/或
[0010]所述孔隙结构的孔隙率为3％
‑
4％；和/或
[0011]所述孔隙结构的孔隙率为3.43％。
[0012]作为一种可选的实施方式，所述硬碳基体的比表面积＞1000m2/g。
[0013]作为一种可选的实施方式，所述金属基颗粒的材料包括金属氧化物；和/或
[0014]所述金属基颗粒的粒径为15
‑
25nm。
[0015]作为一种可选的实施方式，所述金属基颗粒的金属元素包括过渡金属元素；和/或
[0016]所述过渡金属元素包括铜。
[0017]第二方面，本申请提供了一种复合材料的制备方法，所述复合材料为第一方面所述的复合材料；所述方法包括：
[0018]得到硬碳基体；
[0019]把金属基颗粒附着于所述硬碳基体，得到复合材料。
[0020]作为一种可选的实施方式，所述得到硬碳基体包括：
[0021]把酚醛树脂预聚体和正硅酸乙酯进行混合，后进行聚合，得到中间物；
[0022]对所述中间物进行第一焙烧，得到酚醛树脂碳
‑
氧化硅复合材料；
[0023]除去所述酚醛树脂碳
‑
氧化硅复合材料的氧化硅，得到酚醛树脂碳；
[0024]对所述酚醛树脂碳进行改性，以增加所述酚醛树脂碳表面的亲水基团，得到硬碳基体。
[0025]作为一种可选的实施方式，所述把金属基颗粒附着于所述硬碳基体，得到复合材料包括：
[0026]把金属盐和所述硬碳基体进行混合，得到复合初品；
[0027]对所述复合物进行第二焙烧，得到复合材料。
[0028]作为一种可选的实施方式，所述金属盐的质量浓度为10％；和/或
[0029]所述第二焙烧的温度为300
‑
500℃。
[0030]第三方面，本申请提供了一种锂电池，所述锂电池包括负极，所述负极的活性材料层包括第一方面所述的复合材料或第二方面所述的复合材料的制备方法制得的复合材料。
[0031]本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：
[0032]本申请实施例提供的该复合材料，金属基颗粒具有较高的导电性、比容量和密度，通过在硬碳基体上附着金属基颗粒，有助于改善硬碳基体的导电性和比容量；同时硬碳基体具有合适的孔隙结构，能够适应金属基颗粒在工作过程中的体积变化，提供体积缓冲空间；另外硬碳基体还能增加电接触，可以更好地提高锂电池的充放电性能。
附图说明
[0033]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
[0034]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]图1为本申请实施例提供的方法的流程图；
[0036]图2为本申请实施例1提供的复合材料的XRD测试结果图；
[0037]图3为本申请实施例1提供的复合材料的热重测试结果图；
[0038]图4为本申请实施例1提供的复合材料的BET测试结果图；
[0039]图5为本申请实施例1提供的复合材料的TEM测试结果图；
[0040]图6为本申请实施例2提供的复合材料的XRD测试结果图；
[0041]图7为本申请实施例2提供的复合材料的热重测试结果图；
[0042]图8为本申请实施例2提供的复合材料的BET测试结果图；
[0043]图9为本申请实施例2提供的复合材料的TEM测试结果图；
[0044]图10为本申请实施例2提供的酚醛树脂碳的XRD测试结果图
[0045]图11为本申请实施例2提供的酚醛树脂碳的BET的测试结果图；
[0046]图12为本申请实施例2提供的酚醛树脂碳的TEM测试结果图；
[0047]图13为本申请实施例2提供的酚醛树脂碳改性前的红外测试结果图；
[0048]图14为本申请实施例2提供的酚醛树本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种复合材料，其特征在于，所述复合材料包括硬碳基体和金属基颗粒，所述硬碳基体具有开放的孔隙结构，所述孔隙结构为微孔结构和/或介孔结构，所述金属基颗粒分布于所述硬碳基体。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述孔隙结构的孔径为2
‑
10nm；和/或所述孔隙结构的孔隙率为3％
‑
4％；和/或所述孔隙结构的孔隙率为3.43％。3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述硬碳基体的比表面积＞1000m2/g。4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述金属基颗粒的材料包括金属氧化物；和/或所述金属基颗粒的粒径为15
‑
25nm。5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述金属基颗粒的金属元素包括过渡金属元素；和/或所述过渡金属元素包括铜。6.一种复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合材料为权利要求1至5中任一项所述的复合材料；所述方法包括：得到硬碳基体；把金属基颗粒附着于所述硬碳基体，得到复合材料。7.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕盈盈，马瑗璐，袁帅，施利毅，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：