[发明专利]一种柔性磷化铁/碳纳米纤维膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种柔性磷化铁/碳纳米纤维膜及其制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：(1)以植酸和氯化铁为原料制备植酸铁纳米颗粒；(2)将步骤(1)制备的植酸铁纳米颗粒分散在有机溶剂中，再加入聚丙烯腈制成纺丝液，静电纺丝制备植酸铁/PAN纳米纤维膜；(3)将步骤(2)制备的植酸铁/PAN纳米纤维膜进行预氧化，再在惰性气氛中进行碳化处理，制得所述柔性磷化铁/碳纳米纤维膜。本发明制备方法简便，绿色安全，可实现大面积连续化生产。制备的柔性电极材料中磷掺杂的碳材料改善了导电性并减轻了在充电‑放电过程中FeP的体积变化，并在FeP上的碳层改善了稳定的SEI膜的形成并保持了结构完整性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池技术领域，特别是涉及一种柔性磷化铁/碳纳米纤维膜及其制备方法和应用。

背景技术

在日益严重的能源短缺和环境污染问题的背景下，为了满足电动汽车(EV)、规模化能量存储系统(ESS)和便携式电子设备快速增长的需求，迫切需要开发高功率密度的电化学存储系统。锂离子电池(LIB)由于其长循环寿命、高工作电压、高能量密度、高倍率性能和环境友好性而成为研究者们长期探究的对象。在锂电池中，负极材料承担着至关重要的角色。从历史上来说，锂电的安全问题得以解决正是因为碳负极的出现，这才使锂电池有机会走进千家万户，成为实用的日常必需品。不同的电极材料，例如，多种碳材料、混合金属氧化物和导电聚合物等，已被广泛用作LIBs电极材料。然而，由于这些材料的离子和电子传输路径太长而不能达到所需的效果。比如天然石墨(电容为372mAh g^-1)，虽具有良好的结构性和低嵌入电位，但循环保持性能不理想。因此，开发具有高能量密度、长循环寿命、高倍率性能和环保友好的新型电极材料势在必行。

目前，石墨烯的广泛研究引起了人们对其他二维(2D)材料的关注，特别是金属氧化物纳米材料，由于其独特的组成和结构被广泛的用于多种方面的研究。其中，金属磷化物在许多领域皆表现出了优异的性能，例如催化、传感器、超级电容器、太阳能电池和LIB。过渡金属磷化物(TMPS)是一种重要的锂电池负极材料，它们具有较高的理论容量和较低的电势转换反应平台，与金属氧化物、硫化物和氟化物相比具有很大的优势。此外，磷化物与锂发生电化学反应，生成锂超离子导体Li₃P(环境温度下电导率1×10^-4S cm^-1)，而过渡金属氧化物形成弱离子导电绝缘体Li₂O(电导率5×10^-8S cm^-1)。因此，它们提供了分散金属纳米颗粒的基质，并显示出良好的反应活性。与其他过渡金属磷化物(如Co、Ni和Cu)相比，Fe基磷化物具有明显的优势，并且具有价格优势。如专利文献201710467158.3公开了一种石墨烯/过渡金属磷化物/碳复合粉末材料。另外，磷资源的选择也是一个重要的问题。到目前为止，白磷、红磷、三辛基膦和次磷酸钠已被用于合成TMPs，但这些磷资源有毒且易燃。因此，改善电子传导性和选择安全的磷资源是实现高效转化反应过程的关键方面。植酸(PA)被认为是植物组织中磷的主要储存形式，是一种天然有机磷源，已被用于制造各种具有新颖形态和性质的无机材料，并且是合成LIB电极最具有潜力的原材料之一。

目前在用纳米材料作为电极材料的研究中，所使用的纳米材料在宏观上大多为粉末状。当粉末状电极材料通过高分子粘结剂混合涂覆在导电载体上时，电极材料与电极间的电子传输阻力会增加，同时也掩盖了材料的部分活性位点，降低其电化学容量。更重要的是，这些粉状材料在电池使用过程中容易从载体上脱落，从而导致电极容量效果不稳定。因此，研究具有高容量、高稳定性且无需粘结剂的宏观三维结构电极用于锂电池尤其是柔性电池中是当前急需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足，提供了一种柔性磷化铁/碳纳米纤维膜及其制备方法和应用，制备的柔性磷化铁/碳纳米纤维膜具有高容量、高稳定性且无需粘结剂，作为柔性锂电池电极材料，以实现柔性锂电池的规模化生产。

一种柔性磷化铁/碳纳米纤维膜的制备方法，包括以下步骤：