[发明专利]一种锂/钠离子电池柔性自支撑碳纤维负极材料及制备方法

说明书

发明采用甲阶段酚醛单体和PVA或其他高聚物的混合溶液，并将常用的锂离子电池和钠离子电池的负极活性材料如磷、硅、硅氧化物、金属氧化物、金属硫/磷化物等及其他含杂质元素的物质，均匀分散在酚醛单体和PVA或其他高聚物的混合溶液中；然后通过静电纺丝制备成纤维膜，再将其在保护气氛下热解炭化，得到掺杂或者不掺杂活性材料的不同石墨化程度的柔性自支撑负极材料。本发明制备工艺简单，纤维直径可控，并且将此柔性负极材料用于锂和钠离子电池中。作为柔性自支撑负极材料，无需使用常规锂和钠离子电池负极制备过程中必须使用的金属集流体、导电添加剂和粘结剂，操作简单，具有良好的导电性、离子传导性、较高的电池比容量和倍率性能。

技术领域

如下说明书涉及一种或多种电池负极材料的制备方法及所制备的复合材料，具体涉及一种或多种用于锂和钠离子电池的柔性碳纤维负极材料及其制备方法。

背景技术

近年来，由于便携式和可穿戴市场的快速增长，对高性能的柔性动力和储能能量系统的需求也越来越迫切。石墨是较早应用在锂离子电池中的碳材料，也是目前广泛应用在商品化锂离子电池中的负极材料，但是石墨做负极材料的锂离子电池首次充电效率低，循环性能差，而且由于层间距小，应用在钠离子电池时，由于Na⁺具有较大的直径(大于Li+的)以及较难形成稳定的石墨插层Na⁺化合物，使得其存储Na⁺能力很差。不仅如此，石墨类的负极材料在制作电极的过程中需要添加导电剂，粘结剂和集流体，很难将其制备成柔性电极。

硬碳(HC)材料具有无序乱层的石墨微晶结构、更大的平均层间距和丰富的孔成为最有潜力的负极材料，金属离子在嵌入与脱嵌过程中体积变化程度非常小，碱金属离子可以进入层间以及层间微孔，缓冲嵌入造成的体积膨胀。另外，硬碳(HC)材料中通常含有大量来自前驱物的氢、氧、氮等元素，这些都可能与碱金属发生结合或者吸附作用，使得硬炭材料的比容量通常比石墨高。

目前，制备柔性电极材料的技术通常将碳纳米管、石墨烯等浸润或者涂覆在柔性的基体上，但是这种技术主要依托于基体的柔韧度，与电极材料本身结构并没有较大的联系(专利CN201811377149.6，CN201710421452.0)，本专利通过简单的合成过程制备硬炭前驱体，然后利用静电纺丝技术直接制备的碳纤维膜，不需要添加集流体和粘结剂，可以实现制作柔性电极的工艺。由于电极不需要集流体和导电剂，大大降低了不可逆容量的产生，使得首次库伦效率增加，电化学性能上升，本发明制备的自支撑碳纤维负极材料，合成工艺简单，简化了整个电极片的工艺流程，可以应用到锂离子电池和钠离子电池中。

发明内容

本发明提供了可以直接制备出柔性碳膜的一种或多种方法，可以得到纤维形貌可控的碳纤维膜。如果添加了活性材料，活性材料可以均匀分散在纤维中。将该材料直接用作锂离子电池和钠离子电池负极材料，可以不添加传统的粘结剂和导电剂，而且不需要添加集流体。经过充放电性能和循环性能测试，材料的电化学性能优异，而且多次循环后极片结构保持完整。

技术方案

一种锂/钠离子电池柔性自支撑碳纤维负极材料及制备方法，其特征在于：该材料是由多孔碳纤维或者添加了常用电池负极活性材料的多孔碳纤维组成的膜状材料，其中纤维分布均匀，纤维直径可调，直径分布在100nm-1μm；无定形碳的质量分数为1％-100％，活性材料的质量分数为99％-0％。

一种锂/钠离子电池柔性自支撑碳纤维负极材料及制备方法，按如下步骤进行：