[发明专利]一种硫化钴/碳纤维复合物及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种硫化钴/碳纤维复合物及其制备方法与应用，其中，包括：步骤A、利用静电纺丝法制备聚丙烯腈/硝酸钴复合膜；步骤B、将所述聚丙烯腈/硝酸钴复合膜在含有2‑甲基咪唑的溶液中浸泡，得到聚丙烯腈/硝酸钴@金属有机框架；步骤C、在混合气体的氛围下，将所述聚丙烯腈/硝酸钴@金属有机框架进行煅烧，得到氧化钴/碳纤维复合物；步骤D、在惰性气体的氛围下，将所述氧化钴/碳纤维复合物与升华硫反应，得到硫化钴/碳纤维复合物。本发明的硫化物/碳纤维复合物可以直接作为锂离子电池的负极，不需要集流体、粘结剂。因此，简化了电池的制备工艺和对环境的污染。将其直接作为锂离子电池负极，展现了优良的电化学性能。

技术领域

本发明涉及电极材料技术领域，尤其涉及一种硫化钴/碳纤维复合物及其制备方法与应用。

背景技术

锂离子电池电极的制备通常将粘结剂、导电剂、活性物质与溶剂混合，再涂覆到集流体上，待溶剂挥发后再进行辊压，工艺复杂。电极中导电剂和粘结剂的含量可达10~30%，粘结剂会影响电极的载量、锂离子的传输，集流体、粘结剂和导电剂的存在一定程度上会降低电池的能量密度。随着电动汽车、人工智能的迅猛发展，对储能器件（如锂离子电池）也提出高能量密度、高功率密度的要求，因此，减少电极其他部件的使用，开发一种无粘结剂、自支撑的高容量、稳定性好的电极非常重要。

过渡金属硫化物由于它的高理论容量、丰富的来源、更好的导电性（相比于过渡金属氧化物）等因素受到越来越多的关注，然而，它作为锂离子电池负极也遇到了一些问题。比如，在充放电过程中体积膨胀，导致活性材料破裂，从而使活性材料从集流体上脱落，影响电池的循环性能。另一个问题是导电性差（相比于石墨），这两个问题限制了过渡金属硫化物作为锂电负极的工业化应用。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种硫化钴/碳纤维复合物及其制备方法与应用，一方面解决现有金属硫化物材料在充放电过程中体积膨胀及材料导电性差的问题，另一方面提出一种无粘结剂、自支撑复合电极及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种硫化钴/碳纤维复合物的制备方法，其中，包括：

步骤A、利用静电纺丝法制备聚丙烯腈/硝酸钴复合膜；

步骤B、将所述聚丙烯腈/硝酸钴复合膜在含有2-甲基咪唑的溶液中浸泡，得到聚丙烯腈/硝酸钴@金属有机框架；

步骤C、在混合气体的氛围下，将所述聚丙烯腈/硝酸钴@金属有机框架进行煅烧，得到氧化钴/碳纤维复合物；

步骤D、在惰性气体的氛围下，将所述氧化钴/碳纤维复合物与升华硫反应，得到硫化钴/碳纤维复合物。

所述的硫化钴/碳纤维复合物的制备方法，其中，所述步骤A包括：将聚丙烯腈溶液和硝酸钴溶液混合，并搅拌20-30 h，得到混合液；将所述混合液进行静电纺丝，得到聚丙烯腈/硝酸钴复合膜。

所述的硫化钴/碳纤维复合物的制备方法，其中，所述静电纺丝的参数：电压为15-20kV，供液速度为0.1-1.0mL/h，滚筒转速为400-800r/min，针头规格为19-21º，针头到滚筒的距离为10-30cm，温度为20-50℃，湿度为10%-50%。

所述的硫化钴/碳纤维复合物的制备方法，其中，所述步骤B中，浸泡的时间为20-30h。

所述的硫化钴/碳纤维复合物的制备方法，其中，所述步骤C中，所述混合气体为氩气和氢气组成的混合气体。

所述的硫化钴/碳纤维复合物的制备方法，其中，所述步骤C中，所述煅烧时，温度设置程序：首先将温度以2℃/min升到300-500℃，保温1-2h，然后以5℃/min升到700-800℃，保温4-8h，最后冷却至室温。