[发明专利]一种纳米碳纤维/金属箔双层复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米碳纤维/金属箔双层复合材料及其制备方法，属于新能源材料和电化学领域。

背景技术

静电纺丝作为一种特殊的纤维制备方法，相对于拉伸法、模板法等方法，能够制得纳米级纤维；结合碳化等处理手段可得到分布均匀、连续性较好的纳米碳纤维。目前，结合静电纺丝技术制备的纳米碳纤维用作锂离子电池负极材料的常规制备工艺主要为制浆、涂布、裁片、组装等步骤，工艺流程复杂、效率偏低、不可控因素较多。

中国专利201510545414.7公开了一种利用静电纺丝制备的掺杂石墨烯的中孔多孔碳/硅纳米纤维的方法，中国专利201510900329.8公开了一种利用喷射涂覆将碳纤维、石墨、粘结剂、导电剂混合溶液均匀喷射至铜箔，从而得到负极极片的方法。但是，这两种方法都需要加入粘结剂和导电剂，过程复杂，对工艺流程没有实质性的简化。中国专利201510010088.X公开了一种以加热融化的沥青和硅粉为原料，通过牵切制条、纺纱织布及碳化处理制得碳纤维布，该方法相对静电纺丝来讲，不能够制得纳米级纤维。中国专利201310706990.6公开了一种将Ti及Sn的前驱体、聚合物和有机溶剂制得的原溶液通过静电纺丝制备纳米纤维膜，通过碳化处理得到Sn复合TiO₂/C纳米纤维膜，但是用作负极材料时，需要以泡沫镍为集流体，将纤维薄膜压在泡沫镍并进行干燥处理，过程复杂，操作性差。

中国专利201410648186.1公开了利用聚丙烯腈、二水合二氯化锡和氧化石墨烯溶液为原溶液，通过静电纺丝和碳化处理得到锡基/碳纤维毡复合材料。中国专利201510308966.6公开了一种利用聚丙烯腈和碳纳米管混合溶液为纺丝液，通过静电纺丝和碳化处理得到碳纤维/碳纳米管复合膜。中国专利201510194862.7公开了一种以聚丙烯腈、矿物油以及乙酸亚锡混合溶液为纺丝液，通过静电纺丝和碳化处理得到锡/多孔纳米碳纤维。上述三种方法在制备过程中未使用粘结剂和导电剂，但是不能使碳纤维及碳纤维复合材料原位负载于铜箔表层，即不能获得可直接用于锂离子电池组装的负极极片。

同时，金属箔上均匀负载的纳米碳纤维具有优良的导电性和附着性能，可作为功能涂层对现有的金属箔如铜箔、铝箔等集流体进行提升和改进。首先，将纳米碳纤维均匀负载于金属箔表面，有效地防止了集流体腐蚀、极化，能够提供极佳的静态导电性能，收集活性物质的微电流，从而可以大幅度降低正/负极材料和集流体之间的接触电阻；其次，纳米碳纤维可以提高正/负极材料和集流体之间附着性能，可以减少粘结剂的使用，降低极片制造成本，提升倍率、比容量，提升电池性能。

基于此，对静电纺丝装置，特别是接收装置进行改进，以商业用金属箔为接收装置用以接收纳米纤维，将负载纳米纤维的金属箔在惰性气氛下进行原位碳化，结合纳米碳纤维的导电性、与金属箔良好的附着性能，能够直接制得纳米碳纤维/金属箔双层复合材料，该纳米碳纤维/金属箔双层复合材料可作为一种新型集流体或作为负极极片直接用于锂离子电池的组装。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种纳米碳纤维/金属箔双层复合材料及其制备方法，相对于传统工艺，该方法省去了制浆、涂布两个步骤，操作简单、成本低、效率高、易于产业化生产，直接组装锂离子电池后，具有高比容量和较好的循环稳定性；同时，作为一种新型集流体，可以解决集流体腐蚀、极化，正/负极材料和集流体之间附着性能差等问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种纳米碳纤维/金属箔双层复合材料，包括纳米碳纤维层和金属箔层，纳米碳纤维均匀负载于金属箔表面，所述纳米碳纤维/金属箔双层复合材料可作为一种新型集流体或作为负极极片直接用于锂离子电池的组装。

进一步地，所述纳米碳纤维的直径为50~500nm。

进一步地，所述纳米碳纤维层的厚度为100~300μm。

进一步地，所述金属箔为铜箔、铝箔或泡沫镍中的任意一种。

一种纳米碳纤维/金属箔双层复合材料的制备方法，其具体步骤如下：

（1）首先配制聚合物纺丝液，质量分数为10~50%，；金属箔作为静电纺丝的接收装置，在电压为5~10kV、纺丝液流速为0.2~2mL/h、接收距离为8~20cm、针头大小为12#的纺丝条件下进行静电纺丝，制得均匀负载于金属箔表面的纳米纤维。

（2）将负载纳米纤维的金属箔在烘箱中预氧化，第一步预氧化温度为120~150℃，处理时间18~24h；第二步预氧化温度为250~300℃，处理时间1~3h。