[发明专利]生化腐植酸基炭纳米纤维电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生化腐植酸基炭纳米纤维电极的制备方法，属于锂离子电池 技术和储能材料领域。

背景技术

锂离子电池有更高的电压范围。与铅酸电池(～40Wh/kg)相比，商业化锂 离子电池具有100～150Wh/kg的高能量密度(最高达240Wh/kg)。锂离子电池 的性能优劣与其负极材料的性能密切相关。

纳米材料以其独特的纳米微观结构及形貌，大大缩短了锂离子和电子的传输 距离，提高了传输速率，有利于提高可逆容量。如Gu等通过溶胶凝胶方法获得 了直径为500nm～2μm的LiCoO2纳米纤维，并用于锂离子电池中,显示了比其 粉体材料更优异的电化学性能。充放电实验结果表明,LiCoO2纳米纤维电极的 初始充、放电容量分别为216和182mAh/g。Ji等通过电纺得到的多孔CNFs, 具有较小的孔洞、较高的比表面积和较多的活性位点,作为锂离子电池的阳极材 料,表现出较高的可逆容量和良好的循环稳定性。最近,Liu和Lee等利用同 轴纺丝法分别制备了核壳结构和中空的CNFs，两者均具有优异的电化学性能。 然而纳米材料多以价格较昂贵的高分子聚合物为原料，采用涂布法制备电极，过 程繁琐,导电剂和粘结剂的加入导致电池成本增加，影响电极材料的比容量和倍 率性能。因此，寻找一种绿色环保，价格低廉，原料来源丰富且制备方法简单的 炭负极材料是当务之需。

静电纺丝提供了一种独特的制备微、纳米纤维的技术,相比化学气相沉、激 光汽化、电弧放电、模板法等复杂、昂贵的纳米碳材料制备方式,静电纺丝具有 工艺简单、环境友好、高效等优点.同时电纺纤维具有直径可控、较大的比表面 积等结构特点,显示出诱人的应用前景。通过静电纺丝技术制备的纳米纤维膜， 在经过预氧化，炭化处理后形成炭纤维膜，可以直接作为锂离子电池负极使用。 这种电极具有三维搭接的纤维网导电结构，不需要添加粘结剂和导电剂。

发明内容

生物质基炭材料具有环保价廉以及电化学性能良好的优势，作为电极材料具 有实用价值。腐殖质是一种链状高分子，除了具有富官能团性使之以胶粒形态分 散于水或碱性溶液的特点以外，还兼备了热固性、含炭量高等优点，是一种优质 的炭质前驱体。腐殖质本身成纤性差，需要添加聚丙烯腈(PAN)作为助纺剂。 本发明选用生化腐植酸作为炭质前驱体。通过静电纺丝技术制备生化腐植酸基炭 纳米纤维，应用在锂离子电池负极上。

本发明提供的一种生化腐植酸基炭纳米纤维电极及其制备方法，克服现有锂 离子电池电极材料生产成本较高、工艺复杂的技术问题。该方法具有制备过程简 单、原料价格低廉、绿色环保的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的:

一种生化腐植酸基炭纳米纤维电极的制备方法，包括以下过程：

(1)将聚丙烯腈溶解于氮，氮‐二甲基甲酰胺中配制成质量分数为9～11％的PAN 溶液，将生化腐植酸溶于PAN溶液中，搅拌得到混合液；

(2)以步骤(1)制得的混合液为原料，通过静电纺丝制备厚度为150～220μm 的纳米纤维薄膜；

(3)将纳米纤维薄膜转入管式炉中，在升温至220～250℃进行预氧化处理；然 后升至800～1300℃，进行炭化；最后自然冷却至室温，得到生化腐植酸基炭纳 米纤维薄膜，其厚度为60～90μm；再经冲压得到生化腐植酸基炭纳米纤维电极。

所述质量比,生化腐植酸：(PAN+生化腐植酸)大于等于10％，小于等于30％。

所述步骤1)混合液在20～60℃下搅拌6～12小时。

所述步骤2)静电纺丝工艺参数为：采用单针头进行纺丝，注射器针头内径 为0.3～1mm，纺丝液流速为0.3～1mL/h，施加的电压为18～25kv，接收距离为 15～20cm。

所述步骤3)中在空气气氛下以1～3℃/min的升温速率升温至220～250℃ 进行预氧化处理1～3h。

步骤3)中在氩气气氛下以1～3℃/min的升温速率升至800～1300℃，进行 炭化0.5～2h。

所述步骤3)中在氩气气氛保护下自然冷却至室温。

本发明的生化腐植酸基炭纳米纤维电极适用于锂离子电池负极。