[发明专利]三维碳材料及其制备方法、金属锂复合电极及其制备方法

说明书

本发明提供了一种三维碳材料的制备方法，包括：S1)将海绵浸入可溶性催化剂前驱体水溶液中，烘干后，得到浸泡后的海绵；所述可溶性催化剂为铁系元素的盐类化合物；S2)将所述浸泡后的海绵在保护气氛中加热并保温，得到三维碳材料。与现有技术相比，本发明以海绵为固体碳源，通过前期吸附催化剂前驱体，之后在保护气氛中实现海绵的热解和碳化、催化剂原位生成、碳纳米管生长的同步进行，制备了碳纳米管缠绕在碳化海绵骨架上的三维碳材料，方法简单，无需后期处理，且三维碳材料保持了海绵的弹性和三维骨架结构，具有一定的导电性，同时也具有较大的比表面积及丰富的空隙结构，沉积金属锂后能够达到高电流密度和高面容量，且没有枝晶的形成。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种三维碳材料及其制备方法、金属锂复合电极及其制备方法。

背景技术

碳纳米管是具有独特管状结构的一维碳纳米材料。与传统的碳材料相比，碳纳米管具有优异的力学、电学等性能，在储能方面有着广泛的应用前景。

有很多学者对固态碳源制备碳纳米管进行了研究，如公开号为CN107032326A的中国专利公开了一种采用固相催化制备螺旋状碳纳米管的方法，该方法以尿素或者三聚氰胺粉体为固态碳源，在保护气的氛围下制备了碳纳米管，但该方法得到的材料为粉体；海绵是一种三维网络骨架结构的固体材料，含有一定尺寸的孔径分布，由木纤维素纤维或发泡塑料聚合物制成，能够被碳化，且保持原始的海绵骨架结构，公开号为CN105217603A的中国专利公开了一种碳纳米管泡沫材料的制备方法，该方法采用化学气相沉积法，在高分子海绵、三聚氰胺海绵或聚氨酯海绵表面生长了碳纳米管，但该方法需要通入甲烷、乙烯、乙炔等气态碳源。

锂金属由于其高理论容量(3860mA·h/g)，低电化学电势(-3.04V)，低密度(0.534g/cm³)等特点而愈发在锂二次电池领域受到人们的关注。但是，作为锂电池的负极材料，锂金属一直存在着锂枝晶问题：锂枝晶在生长过程中，容易刺穿隔膜，导致电池短路，产生安全隐患；同时，锂枝晶在析出和沉积锂的过程中不断产生和破碎，产生一些游离于锂金属表面的锂(死锂)，以及锂金属表面需要不断重新生成固体电解质界面膜(SEI)，从而使得锂金属电池的循环稳定性和库伦效率受到很大的影响。

构筑三维碳材料有以下优点：(1)相比于金属材料，密度更低；(2)三维骨架本身机械强度高，可阻碍锂枝晶的长出；(3)表面积大，降低了局部电流密度，有利于抑制枝晶的生长；(4)孔隙率高，有利于缓解体积变化所带来的内部压力。

目前有很多研究致力于将三维碳材料应用于锂金属负极，但均集中在小电流密度和小面容量下循环，如公开号为CN105609783的中国专利公开了一种三维碳材料，在电流密度0.25mA/cm²和面容量0.625mA·h/cm²下循环，也有人尝试在大电流密度和小面容量下循环，如公开号为CN106784635的中国专利公开了一种三维碳材料，在电流密度5mA/cm²和面容量1mA·h/cm²下循环，但很少能达到高电流密度及高面容量。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种制备方法简单且可达到高电流密度及高面容量的三维碳材料及其制备方法、金属锂复合电极及其制备方法。

本发明提供了一种三维碳材料的制备方法，包括：

S1)将海绵浸入可溶性催化剂前驱体水溶液中，烘干后，得到浸泡后的海绵；所述可溶性催化剂为铁系元素的盐类化合物；

S2)将所述浸泡后的海绵在保护气氛中加热并保温，得到三维碳材料。

优选的，所述可溶性催化剂前驱体选自硝酸铁、氯化铁、醋酸铁、硝酸钴、氯化钴、硝酸镍、氯化镍与醋酸镍中的一种或多种。

优选的，所述可溶性催化剂前驱体水溶液中可溶性催化剂前驱体的浓度为0.1～1g/L。