[发明专利]一维In2O3/C纤维复合材料、其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及储能材料、新能源以及电化学领域，尤其是一维In₂O₃/C纤维复合材料、其制备方法和应用。

背景技术

随着世界能源需求的日益增加，石油、煤、天然气等作为主要能源迅速地被消耗殆尽，而且它们燃烧还会产生温室气体和其他有毒有害的物质(SO₂、NO₂等)，因此，寻找可再生的绿色能源是当下最紧迫的任务。

锂离子电池作为上世纪90年代的新型能源，一直倍受人们广泛的关注，且广泛应用于电动汽车、移动设备、电站储能等领域。缺乏优秀的负极材料也是导致锂离子电池容量和使用寿命受到限制的主要原因之一。传统的金属氧化物负极材料有着理论比容量高、原料丰富、价格低廉等优点，同时也受到导电性差、循环性能差等缺点的制约。因此，寻找一种具有良好的比容量及循环性能的负极材料对于锂离子电池领域具有重大的意义。

氧化铟(In₂O₃)作为锂离子电池的负极材料，具有理论比容量(965mA h g^-1)较高、结构稳定、毒性小等优点。但是纯氧化铟作为锂离子电池负极材料时，存在以下的缺陷：纯In₂O₃负极材料在100mA g^-1条件下循环100圈之后容量即衰减到52.9mAh g^-1，循环稳定性差、比容量低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种一维In₂O₃/C纤维复合材料、其制备方法和应用，其目的在于通过采用静电纺丝技术制备得到一种具有均一的线状结构的In₂O₃/C纤维复合材料，直径范围为600～750纳米，长度范围为5～10微米，In₂O₃颗粒均匀分布在碳纤维内外，颗粒大小约30～50纳米，并将其应用于锂离子电池负极材料，发现其有良好的循环稳定性，由此解决现有技术的氧化铟锂离子电池负极材料的循环稳定性差、比容量低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的原料，提供了一种一维In₂O₃/C纤维复合材料，所述复合材料的化学式组成为In₂O₃/C，其中In₂O₃纳米颗粒分布在碳纤维内部和表面，其In₂O₃纳米颗粒的质量百分数为32.3％～36.3％，余量为C。

优选地，所述碳纤维的直径范围为600～750纳米，长度范围为5～10微米。

优选地，所述In₂O₃颗粒大小为30～50纳米。

优选地，所述复合材料用于锂离子电池负极材料时，在100mA g^-1、100圈循环之后具有232～350mAh g^-1的容量。

按照本发明的另一个方面，提供了一种一维In₂O₃/C纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将铟盐、聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺混合均匀，制备得到铟盐前驱体纺丝液；

(2)将步骤(1)所述前驱体纺丝液在高压下纺丝，得到前驱体一维纤维；所述纺丝电压为15～22KV，推注速率0.5～1.2mm/min；

(3)将步骤(2)所述一维纤维在惰性气氛中，优选为氮气气氛中，500～650℃煅烧3～5h，冷却后得到碳化后的纤维；

(4)将步骤(3)所述碳化后的纤维在空气氛中，100～120℃煅烧3～5h，得到一维In₂O₃/C纤维复合材料。

优选地，步骤(1)所述铟盐为硝酸铟。

优选地，步骤(1)所述硝酸铟、聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺的照质量比为0.75～1:1～1.25:10～10.75。

优选地，步骤(2)所述纺丝电压为22KV，所述推注速率为1.2mm/min。

优选地，步骤(3)所述煅烧的升温速率为5℃/min。

优选地，步骤(4)所述煅烧的升温速率为5℃/min.