[发明专利]一种柔性自支撑七碳化八钒/氮掺杂多孔碳纳米纤维复合材料及其制备方法与应用

说明书

一种柔性自支撑七碳化八钒/氮掺杂多孔碳纳米纤维复合材料及其制备方法与应用，以含氮碳源、造孔剂、钒源为原料，采用静电纺丝法得到无纺布纤维膜，再将其预氧化及高温碳化，获得氮掺杂多孔碳纳米纤维中弥散嵌入了大量Vsubgt;8/subgt;Csubgt;7/subgt;纳米颗粒的复合材料。本发明采用静电纺丝结合气氛碳化工艺制备获得的复合材料表现出良好的机械柔韧性、导电性及高比表面积，多孔碳纳米纤维中丰沛的孔隙结构可物理限域多硫离子穿梭，促进电子/离子快速迁移并有效缓解电极体积变化，Vsubgt;8/subgt;Csubgt;7/subgt;纳米颗粒不仅具有良好的导电性，而且对多硫化物具有化学吸附和催化转化作用，该复合材料可作为一种高性能自支撑锂硫电池正极材料。

技术领域

本发明属于新能源材料与器件技术领域，尤其涉及一种柔性自支撑七碳化八钒/氮掺杂多孔碳纳米纤维复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，不可再生的能源消耗引起的能源危机和环境问题在很大程度上加快了开发清洁和可持续能源的步伐。传统通过锂离子插层实现能量存储的锂离子电池，其能量密度日益接近其理论极限，已不能满足便携式电子设备、电动汽车以及智能电网快速发展对能量密度和功率密度提出的更高要求。因此，发展高能量密度且长循环寿命的新一代能量存储体系迫在眉睫。

锂硫电池因其超高比容量和能量密度(1675mAh g^-1和2600Wh kg^-1)、低电势和正极硫自然资源丰富、价格低廉且环境友好等优势被认为是未来规模化能源存储及应用的极具潜力的候选者。含硫正极材料是决定电池性能的关键，主要面临活性硫及其还原产物不导电、可溶性多硫化物的“穿梭效应”、充放电过程体积膨胀等挑战。此外，传统的锂电池电极制作工艺流程是将活性材料、导电剂和粘结剂按一定比例混合均匀后涂覆在导电集流体上。该过程耗时长且涉及溶剂蒸发(污染环境)。添加剂和集流体增加了电极质量和成本，限制活性物质的负载量以及电池的能量密度。粘结剂在电池循环过程中易降解，导致电极材料脱离集流体，产生不可控的副反应。

为了解决以上问题，现有技术针对正极材料的改性和优化，通过将硫引入多孔碳骨架以提高硫正极电导性并物理限域多硫化物是改善电化学性能最广泛应用的方法之一。此外，非极性的碳材料通过杂原子掺杂能一定程度提高碳材料的电化学活性。极性的金属化合物(氧/硫/碳/氮化物等)由于对多硫化物的强化学吸附以及良好的催化转化能力，其作为添加剂、硫载体或与碳材料复合广泛应用于锂硫电池正极。

七碳化八钒(V₈C₇)具有良好的金属性以及对多硫化物适中的吸附强度和良好的催化性能，因此，合理设计具有良好的机械柔韧性和稳定结构的V₈C₇基复合材料作为锂硫电池正极硫载体，以促进离子/电子传输、实现多硫化物强吸附以及原位快速催化转化，有望改善锂硫电池电化学性能，从而促进柔性锂硫电池的应用发展。

发明内容

本发明的目的在于针对现有锂硫电池正极材料及其制备技术的不足，提供了一种柔性自支撑七碳化八钒/氮掺杂多孔碳纳米纤维复合材料及其制备方法，本发明利用该复合材料制备获得的锂硫电池正极材料呈现出高比容量、优异的倍率性能和循环稳定性。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

首先，本发明提出了一种柔性自支撑七碳化八钒/氮掺杂多孔碳纳米纤维复合材料，其结构为，氮掺杂多孔碳纳米纤维中均匀弥散地嵌入了V₈C₇纳米颗粒。