[发明专利]一种硼酸铵改性碳基纳米纤维复合材料及其制备方法和应用

说明书

为进一步提升现有碳基纳米纤维复合材料对锂/钠离子吸附‑嵌入作用，本发明提供了一种硼酸铵改性碳基纳米纤维复合材料及其制备方法和应用，硼酸铵改性碳基纳米纤维复合材料的制备方法包括以下步骤：将高分子聚合物溶于有机溶剂中，制备得到前驱体溶液；将所述前驱体溶液进行静电纺丝，制得纳米纤维前驱体薄膜；将所述纳米纤维前驱体薄膜进行预氧化；将预氧化后的纳米纤维前驱体薄膜浸渍在硼酸铵溶液中，然后取出进行烘干、碳化，得到硼酸铵改性碳基纳米纤维复合材料。

技术领域

本发明属于纳米复合材料技术领域，具体涉及硼酸铵改性碳基纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着工商业大规模发展，能源需求日益迫切，传统能源供给及使用方式逐渐无法完全满足实际的生产生活，因此，从产品开发到市场应用，新能源领域的发展正在蒸蒸日上。其中，新能源中所使用的锂/钠离子电池，由于具有高能量密度、优异的循环稳定性和较长的使用寿命、无记忆效应且绿色环保等优势，已经广泛应用在动力汽车、家用便携设备和信息技术等诸多领域。

当前，锂离子电池正面临着原材料价格日渐走高、国内矿产资源贫乏等不利因素，使得探寻成本更加低廉且国内储存丰富的新型电池成为了一种必然趋势。目前，应用于锂离子电池负极的材料通常为石墨类材料，包括天然石墨和人工石墨，但其在钠离子电池中却无法正常使用，原因是钠离子比锂离子半径大，在石墨材料中脱嵌会引起较大的体积膨胀，使得负极结构发生破坏，极大降低了循环寿命。

不同于石墨负极材料，具有杂原子掺杂的碳纳米纤维材料可以作为优异的锂/钠离子电池负极材料，实现锂/钠离子在负极表面的均匀吸附和脱嵌。而在现有技术CN114335524中，杂原子掺杂的多孔碳纳米带材料，通过使用水溶性的前驱体溶液与掺杂化合物混合后进行纺丝，得到碳纳米纤维膜，但是该方法受限于前驱体溶液与掺杂化合物的相容性。

申请号为201810621963.1的专利公开了基于甲基纤维素的B，N双掺杂碳气凝胶及其制备方法，甲基纤维素可形成自交联的水凝胶，该水凝胶以掺杂剂硼酸铵溶液为溶剂，经过干燥，碳化，得到具有三维多孔网络结构的碳气凝胶材料，其制备方法虽然不需要考虑基体和掺杂化合物的相容性，但需要经过冷冻干燥技术来使得材料定型，制备过程复杂，不利于规模化生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种硼酸铵改性碳基纳米纤维复合材料及其制备方法和应用，进一步提升了碳基纳米纤维复合材料对锂/钠离子吸附-嵌入作用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供了一种硼酸铵改性碳基纳米纤维复合材料的制备方法，包括以下操作步骤：

将高分子聚合物溶于有机溶剂中，制备得到前驱体溶液；

将所述前驱体溶液进行静电纺丝，制得纳米纤维前驱体薄膜；

将所述纳米纤维前驱体薄膜进行预氧化；

将预氧化后的纳米纤维前驱体薄膜浸渍在硼酸铵溶液中，然后取出进行烘干、碳化，得到硼酸铵改性碳基纳米纤维复合材料。

可选的，以所述前驱体溶液的质量为100％计，所述高分子聚合物的质量分数为6％-12％。

可选的，所述硼酸铵溶液的浓度为0.02-0.15mol/L。

可选的，所述高分子聚合物包括聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩和聚乙烯醇中的一种或多种；

所述有机溶剂包括N，N-二甲基甲酰胺、二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺和二甲基亚砜中的一种或多种。

可选的，所述静电纺丝的工艺条件包括：纺丝电压为10-20kV，接收距离为10-18cm，推进速度为0.2-0.5mL/h，纺丝环境温度为20-40℃，环境湿度为15-60RH％。