[发明专利]一种含硫化物纳米颗粒的一维多孔碳纤维及制备与应用

说明书

本发明属于钾离子电池材料领域，公开了一种含硫化物纳米颗粒的一维多孔碳纤维及制备与应用。将高分子聚合物和含能物质前驱体加入到有机溶剂或去离子水中，超声搅拌溶解或分散均匀，得到纺丝前驱体浆液，通过静电纺丝制备得到高分子纳米纤维薄膜，然后依次经预氧化和碳化硫化处理，得到含硫化物纳米颗粒的一维多孔碳纤维。本发明合成的含硫化物纳米颗粒的一维多孔碳纤维具有多孔结构，活性位点多，离子传输距离短，导电性好，十分有利于电解液的浸润，作为钾离子电池的负极材料具有十分优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于钾离子电池材料领域，具体涉及一种含硫化物纳米颗粒的一维多孔碳纤维及制备与应用。

背景技术

随着锂离子电池的大规模应用，锂资源的有限性及成本问题越来越引起了人们的担忧。近年来，许多新型替代储能电池应运而生，主要包括钠离子、钾离子、铝离子等二次电池。相比于锂离子电池，钾离子电池具有许多优势，如钾在地壳中含量丰富，分布广泛，成本较低；钾离子电池与锂离子电池的标准还原电势最为接近，导致能量密度高；除此之外，钾离子电池电解液在碳材料中的润湿性非常好，有利于离子和电子的传输。所以，开发廉价环保，电化学脱嵌钾平台合适，能量密度高且循环寿命长的新型钾离子电池具有重大意义。

碳材料一直是一类优异的可充电电池负极材料，具有放电平台低、来源丰富等特点，可以与钾离子进行多步脱嵌反应最终结合生成KC₈，具有279mAhg^-1的理论比容量，是优异的钾离子电池负极材料。但碳材料的容量仍偏低，那以满足高容量、大倍率和长寿命的要求，因此找到一种科学有效的策略，开发出高性能的碳基钾离子电池具有十分重要的意义。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种含硫化物纳米颗粒的一维多孔碳纤维的制备方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的含硫化物纳米颗粒的一维多孔碳纤维。

本发明的再一目的在于提供上述含硫化物纳米颗粒的一维多孔碳纤维作为钾离子电池负极材料的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种含硫化物纳米颗粒的一维多孔碳纤维的制备方法，包括如下制备步骤：

(1)将高分子聚合物和含能物质前驱体加入到有机溶剂或去离子水中，超声搅拌溶解或分散均匀，得到纺丝前驱体浆液；

(2)将步骤(1)所得纺丝前驱体浆液通过静电纺丝制备得到高分子纳米纤维薄膜；

(3)将步骤(2)所得高分子纳米纤维薄膜依次经预氧化和碳化硫化处理，得到含硫化物纳米颗粒的一维多孔碳纤维。

优选地，步骤(1)所述高分子聚合物为聚丙烯腈、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乳酸中的一种或多种。

优选地，步骤(1)所述含能物质前驱体为固体纳米颗粒或可溶性盐；固体纳米颗粒粒径在30～200nm，选自二氧化锡、三氧化二锑、四氧化三钴、氢氧化钴中的至少一种；可溶性盐选自氯化亚锡(SnCl₂)、四氯化锡(SnCl₄)、氯化锑、氯化钴中的至少一种。

优选地，步骤(1)所述有机溶剂为乙醇、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、丙酮和氯仿中的一种或两种以上的混合。

优选地，步骤(1)所述纺丝前驱体浆液的质量浓度为4％～30％。浓度过高，静电纺丝得到的高分子纳米纤维直径过大，成膜效果差；浓度过低，溶液粘度小，无法顺利拉伸成纤维。