[发明专利]一种N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用有效

专利信息
申请号: 201810616035.6 申请日: 2018-06-14
公开(公告)号: CN108847492B 公开(公告)日: 2020-11-10
发明(设计)人: 卢惠民;曹媛;杨文文;邓燕;蔡伟;许彬彬 申请(专利权)人: 北京航空航天大学
主分类号: H01M4/86 分类号: H01M4/86;H01M12/08;D01D5/00;D04H1/4382;D04H1/728;B82Y30/00
代理公司: 北京高沃律师事务所 11569 代理人: 刘奇
地址: 100000*** 国省代码: 北京;11
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摘要:
搜索关键词: 一种 掺杂 金属 纳米 纤维 复合材料 及其 制备 方法 应用
【说明书】:

发明提供了一种N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料的制备方法,属于空气燃料电池技术领域。本发明将可溶性钴盐直接用于静电纺丝制备,钴纳米颗粒直接在高导电性的自支撑多层孔基碳纤维基体中成形生长,大大提高了金属活性材料的纺入量,制得的复合材料整体形貌呈现纳米纤维网状结构,金属钴以钴纳米粒子的形式包裹在碳纳米纤维中,能够加快电子转移速率,具有多孔、导电性高,机械性能好的优点,提高了锂氧电池的电化学性能。

技术领域

本发明涉及空气燃料电池技术领域,尤其涉及一种N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近些年来,石油资源的短缺以及环境问题的日益加剧,迫使人们开发一些更加清洁和高效的储能设备。在所有的储能设备中,锂空气电池因其高能量密度等特点而被广泛应用。与此同时,人们对于储能设备的需求逐渐多样化,柔性电极材料的研发成了一个重要的科研课题。静电纺丝具有制备装置简单、成本低、可纺材料多、工艺可控性强、易工业化推广等优点。在所有涉及柔性电极材料的研究中,静电纺丝法作为制备柔性电极材料的手段受到了人们的广泛关注。

目前,关于静电纺丝法的研究主要集中于将金属活性材料分散于纤维的内部,得到金属掺杂碳纳米纤维复合材料。通过上述方法可以解决大部分电极材料体积膨胀大的问题,同时可以增加材料的导电性,有利于提高电极材料的电化学性能,但是存在制得的电池放电容量低的问题。

发明内容

鉴于此,本发明的目的在于提供一种N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。本发明提供的N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料的制备方法将可溶性钴盐直接用于静电纺丝过程,提高电池的放电容量。

为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:

一种N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料的制备方法,包括以下步骤:

(1)将聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈与N,N-二甲基甲酰胺混合,得到聚合物溶液;

(2)将所述步骤(1)得到的聚合物溶液与可溶性钴盐混合,得到静电纺丝溶液后进行静电纺丝,得到复合纳米纤维膜;

(3)将所述步骤(2)得到的复合纳米纤维膜在空气中烧结,得到烧结产物;

(4)将所述步骤(3)得到的烧结产物在氮气中热处理,得到N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料。

优选地,所述聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈与可溶性钴盐的质量比为5:5:0.5~1.5。

优选地,所述步骤(2)中静电纺丝的条件为:温度25~30℃,相对湿度30°,静电电压为12~21kV,接收距离为15~20cm。

优选地,所述步骤(3)中烧结的温度为250~280℃,所述烧结的时间为5~8h。

优选地,所述步骤(4)中热处理的温度为700~900℃,所述热处理的时间为1.5~2h。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料,所述N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料整体形貌呈现纳米纤维网状结构,所述金属钴以钴纳米粒子的形式包裹在碳纳米纤维中,所述氮以石墨化氮、吡咯氮和吡啶氮的形式负载在碳纳米纤维表面。

优选地,所述N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料中钴纳米粒子的质量含量为26~42%。

优选地,所述N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料中钴纳米粒子的粒径为5~100nm。

优选地,所述N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料中氮元素的质量含量为0.84~2.97%

本发明还提供了上述技术方案所述N掺杂金属钴碳纳米纤维复合材料作为锂空气燃料电池阴极的应用。

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