[发明专利]高度石墨化活性碳/过渡金属氧化物纳米复合材料的制法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域的制备方法，具体涉及一种一步法获得过渡族金属氧化物/高度石墨化活性碳纳米复合材料的制备方法，得到的复合材料具有高可逆容量及循环稳定性，将在锂电池负极材料上得到应用。

背景技术

新能源汽车的关键部件是锂离子电池，降低成本、提高性能是锂离子电池发展的主攻方向，主要依赖于电池中各组分材料的改进开发及电池工艺的革新。据统计，仅手机电池一项的负极材料需求量为4000吨/年，随着电动汽车的迅速发展，作为锂电池负极材料更具光明前景。商用石墨负极材料具有稳定性好、低成本以及低锂嵌电位的优势，但由于其理论容量有限(372mAh g^-1)，而限制了它的应用。现在广泛研究的金属负极材料(如Sn，Si)具极高的理论容量，遗憾的是在充放电过程中由于体积的膨胀，而引起容量的大幅下降；另外一种就是金属氧化物负极材料(如CoO_x and FeO_x)，也具有较高的理论容量，但是在充放电循环中，嵌锂电位太高。由此可见，目前实用化的负极材料还是碳材料。如何提高碳材料的容量是关键。

经对现有技术文献的检索发现，《Advanced Functional Materials》(《先进功能材料》)，于2007年，17期，1873页上报道的“Synthesis of Hierarchically Porous Carbon Monoliths with Highly Ordered Microstructure and Their Application in Rechargeable Lithium Batteries with High-Rate Capability”(“具有高度规整微观结构的分级多孔碳材料的制备及其在高倍率可充锂离子电池方面的应用)：以多孔二氧化硅为模板制备具有规整结构的多孔碳材料，这种方法制备的多孔碳材料，由于三维联通的多孔道结构以及高的比表面积，为电解质提供了流动的通道，同时非晶碳中较高的碳氢比，给锂离子的嵌入和脱出提供了更多的位点，从而使得材料的循环容量得以突破传统石墨材料的理论容量(800mAh/g)。遗憾的是介孔碳的制备利用组装的介孔碳为模板，不但工艺复杂，而且结构难以控制，难以工业化应用。由此可见，价格低廉的活性炭具有高的比表面以及多孔道结构，有望成为制备负极材料的基体材料。广大科研工作者一直在寻求各种方式对其进行设计，以期在保证循环稳定性的前提下获得更高的容量。包括尝试对其进行石墨化处理，以增强其导电性，和其它负极材料活性物质进行复合等方法，但一般的处理工艺复杂，导致生产周期加长和成本的提高，使得其工业化应用受到限制。进一步的研究发现，《Langmuir》(《兰格缪尔》)，于2000年，16期，4367页上报道的“Catalytic Graphitization of Carbon Aerogels by Transition Metals”(“碳气凝胶的过渡族金属催化石墨化”)：用铁镍钴等过渡金属作为催化剂对碳气凝胶进行石墨化处理，能够得到高度石墨化的多孔碳材料，但是气凝胶复杂的制备工艺和较高的石墨化处理温度(1000-1800℃)使得处理的成本较高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种方法简单，原材料易得的高度石墨化活性碳/过渡金属氧化物纳米复合材料的制法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高度石墨化活性碳/过渡金属氧化物纳米复合材料的制法，其特征在于，该方法包括以下步骤：按重量份，取1份活性碳，用去离子水清洗并在90℃-120℃烘干，加入1-3份的金属盐溶液中混合均匀，经过超声处理，置于真空烧结炉中加热至600℃-1000℃，保温1-3h进行石墨化处理，即得高度石墨化活性碳/过渡金属氧化物纳米复合材料产品。

所述的活性碳用去离子水清洗至清洗液的pH值为6-8后，再进行烘干。

所述的金属盐溶液的浓度为0.1-3M，所述的金属盐包括金属的氯化盐，硫酸盐或硝酸盐，所述的金属为具有催化和电机活性的过渡金属。

所述的金属包括铁，镍或钴。

所述的金属盐溶液为金属盐溶于有机或无机溶剂中配制而成，所述的有机或无机溶剂包括水、醇、DMF或酮。

所述的超声处理的条件是：20-100KHz，100-600w，处理时间0.5-6min。