[发明专利]一种锂离子电池负极用柔性复合纳米纤维材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种锂离子电池负极用柔性复合纳米纤维材料及制备方法，该复合纳米纤维材料包括皮层和芯层，皮层包覆在芯层的外表面，皮层由碳和石墨烯构成；芯层为空心层，芯层中设有中空纳米球颗粒，所述纳米球颗粒由锡制成。该材料导电率高、容量大、循环稳定性好。

技术领域

本发明属于纳米材料和化学电源领域，具体来说，涉及一种锂离子电池负极用柔性复合纳米纤维材料及制备方法。

背景技术

结构功能性纳米纤维以其结构可控、比表面积大、易于改性等优势，在催化、储能、过滤、组织工程等受到广泛关注。在众多制备纳米材料的方法中，静电纺丝技术作为一种设备、工艺简单，形貌可控等优势，可制备特殊结构（如皮芯，中空结构）的纳米纤维并将其应用于锂电池领域。

锡(Sn)来源丰富，其理论比容量可达992mAhg^-1，是传统电极材料石墨容量的2.7倍。但是，Sn一直没有实现商用，主要是因为Sn电极在脱锂和嵌锂过程中引起体积剧烈膨胀，导致Sn的粉末化，破坏了电极的整体性，进而导致循环寿命和容量急剧衰减。为解决上述问题，研究者主要将Sn材料进行纳米化或与碳材料进行复合。目前，金属锡与碳材料的复合方法很多，但是大多负极材料的导电性、容量和循环寿命偏低，以及电极制备过程中需要加入导电剂、黏合剂增加了材料的电极，且制备过程较繁琐，仍然不能满足商业化的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池负极用柔性复合纳米纤维材料及制备方法，该材料导电率高、容量大、循环稳定性好。

为实现上述目的， 本发明实施例采用以下技术方案：

一方面，本发明实施例提供一种锂离子电池负极用柔性复合纳米纤维材料，包括皮层和芯层，皮层包覆在芯层的外表面，皮层由碳和石墨烯构成；芯层为空心层，芯层中设有中空纳米球颗粒，所述纳米球颗粒由锡制成。

作为优选例，所述的中空纳米球颗粒与皮层的内表面连接。

另一方面，本发明实施例还提供一种锂离子电池负极用柔性复合纳米纤维材料的制备方法，该方法包括：

步骤10）将石墨烯和聚丙烯腈分散在N,N-二甲基甲酰胺溶液或N,N-二甲基乙酰胺溶液中，制得皮层静电纺丝液；

将聚乙烯吡咯烷酮和镍盐分散于N,N-二甲基甲酰胺溶液或N,N-二甲基乙酰胺溶液中，制得芯层静电纺丝液；

步骤20）将步骤10）制备的皮层静电纺丝液和芯层静电纺丝液，采用同轴静电纺丝法，皮层静电纺丝液位于芯层静电纺丝液外侧，纺制纳米纤维膜；

步骤30）将步骤20）制得的纳米纤维膜置于管式炉中，以1~2℃/min升温至250~280℃保持1~3h，5~10℃/min升温至600~800℃保持1~4h，得到核壳结构的碳、石墨烯、镍复合纳米纤维；

步骤40）将步骤30）制备的碳、石墨烯、镍复合纳米纤维置于摩尔浓度为20~100mmol/L、温度为25~90℃的锡盐溶液中，保持2~12h，得到碳、石墨烯、锡复合纳米纤维。

作为优选例，所述的步骤10）中，制得的皮层静电纺丝液中，聚丙烯腈的质量分数为6~12%；石墨烯和聚丙烯腈的质量比为0.2~2:100。

作为优选例，所述的步骤10）中，制得的芯层静电纺丝液中，聚乙烯吡咯烷酮的质量分数为6~10%；聚乙烯吡咯烷酮和镍盐的质量比为1: 1~10；

作为优选例，所述的镍盐为氯化镍、硫酸镍或者乙酸镍。

作为优选例，所述的步骤20）中，静电纺丝过程中：电压为10~30 kV，纺丝液流速为0.5~3.0 mL/h，喷丝头和接收装置之间的距离：10~40 cm，喷涂时间为15~60min。