[发明专利]一种多级有序大孔/介孔碳-金属碳化物复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种多级有序大孔/介孔碳‑金属碳化物复合材料及其制备方法和应用，该复合材料具有球形大孔，在球状大孔壁上还有介孔，所述球形大孔的孔径尺寸为50‑3000nm，所述介孔的孔径尺寸为2‑50nm；该方法包括以下步骤：(1)取表面活性剂、碳源、金属源和有机溶剂混合，得到混合液；(2)将所得混合液与光子晶体混合，然后经干燥得到固体A；(3)将所得固体A焙烧，即得目的产物。本发明通过在碳三维骨架中引入金属碳化物，构筑碳基复合材料，提高其对锂的亲和能力，确保锂金属的均匀沉积，有助于构建无枝晶锂金属电池。与现有技术相比，本发明可确保锂金属的均匀沉积，且方法普适性强，适用于制备含不同金属碳化物的碳‑金属碳化物复合材料。

技术领域

本发明属于功能材料制备技术领域，涉及一种多级有序大孔/介孔碳-金属碳化物复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着电动汽车和便携式电子设备的发展，锂离子电池已经走入了人类生活的方方面面。然而，目前商用的锂离子电池体系正极和负极材料分别是磷酸铁锂和石墨，能量密度仅为150-180Wh·Kg^-1，无法满足日益增长的续航需求。因此，开发具有高能量密度的电极材料是十分必要的。从负极材料看，金属锂由于其高的比容量(3860mAh·g^-1)，低的电极电势(3.04V，vs标准氢电极)和密度(0.59g·cm^-3)等优点，被认为是最有前途的下一代负极材料之一。但是，金属锂负极的实际应用仍然面临着严重的问题。首先，金属锂沉积/剥离的过程中大的体积膨胀会导致固体电解质界面膜的破裂，加速死锂的生成和电解液的消耗。其次，锂金属在集流体上的不均匀沉积会导致锂枝晶的生长，刺穿隔膜，从而引发电池短路、着火、产气甚至爆炸等问题。

本质上看，使用金属锂作为负极时，最理想的状态是锂金属可以均匀沉积的同时有足够的空间缓冲其体积膨胀。因此，构筑多孔导电的三维骨架被认为是解决上述问题有效的策略之一。首先，高比表面积的多孔材料可以显著降低锂沉积过程中的局部电流密度，抑制锂枝晶的生长。其次，多孔结构可以为金属锂的体积膨胀提供足够的缓冲空间。但目前报道的三维骨架大部分是碳材料，表现出“疏锂”的特性，导致金属锂的沉积的不可控。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种多级有序大孔/介孔碳-金属碳化物复合材料及其制备方法和应用，以克服现有技术中现有碳材料三维骨架对锂的亲和性较差、锂金属不均匀沉积或锂金属无足够的体积膨胀空间等缺陷。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提供了一种多级有序大孔/介孔碳-金属碳化物复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)取表面活性剂、碳源、金属源和有机溶剂混合，得到混合液；

(2)将所得混合液与光子晶体混合，然后经干燥得到固体A；

(3)将所得固体A焙烧，即得目的产物。

进一步的，步骤(1)中，所述表面活性剂为阴离子型表面活性剂、阳离子型表面活性剂或非离子型表面活性剂中的一种或几种。

更进一步的，所述阴离子型表面活性剂为谷氨酸系阴离子表面活性剂、丙氨酸系阴离子表面活性剂、甘氨酸系阴离子表面活性剂、羧酸类阴离子表面活性剂中的一种或几种。

更进一步的，所述阳离子型表面活性剂为烷基季铵盐表面活性剂、双子座表面活性剂、流星锤表面活性剂或三头阳离子表面活性剂中的一种或几种。

更进一步的，所述非离子型表面活性剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷二嵌段共聚物、聚环氧乙烷-聚环氧丁烷二嵌段共聚物、聚环氧乙烷-聚苯乙烯二嵌段共聚物或聚环氧乙烷-聚甲基丙烯酸甲酯二嵌段共聚物、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、聚环氧丙烷-聚环氧乙烷-聚环氧丙烷三嵌段共聚物中的一种或几种。