[发明专利]多纳米孔道中空炭纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多纳米孔道中空炭纤维及其制备方法，属于炭纤维技术领域，炭纤维内设若干个连通的纵向中空孔道，孔道总容积占炭纤维总体积20%～80%，含碳量＞98%，炭纤维直径为5～50μm，石墨化度为80～100。该炭纤维的制备方法，步骤为沥青与造孔剂熔融混合、纺丝、预氧化和炭化，得到多纳米孔道结构的中空炭纤维。本发明以沥青作为原料，将沥青与高分子材料熔融混合后作为纺丝原料，通过熔融纺丝得到原丝后经预氧化和炭化工艺，制得的炭纤维具备贯通的纳米孔道，具有更高比表面积，孔结构高度有序，同时保持炭纤维的柔性、高机械强度和高导电特性。本发明简化了制备工艺，不需通过活化或后处理，减小了生产难度，降低了生产成本，极易于工业化。

技术领域

本发明属于炭纤维技术领域，尤其涉及一种多纳米孔道中空炭纤维及其制备方法。

背景技术

目前，随着新能源的大规模并网，储能系统对于平衡新能源的波动性，促进能源体系有序转型极其关键。柔性储能体系因配置灵活、应用场景广泛，可为降碳固碳提供更高效、更智能的技术方案，成为全球能源和电子科技领域研究的前沿和热点。纤维状储能器件因体积小、柔性好、易编织、易实现模块集成化等显著优势，受到广泛关注。电极材料是决定储能体系性能的关键。电极材料要兼具优异的电化学性能和高柔性，是目前研究的重大挑战之一。

炭纤维具有高导电、质轻、良好的化学稳定性以及优异的机械性能，炭纤维电极经多次弯曲、拉伸、折叠或扭转后仍能保持良好的循环稳定性。而且相比炭纳米管和石墨烯纤维，炭纤维成本较低、制备工艺简单、易于商业化。但纯炭纤维较低的能量密度是制约其应用的主要问题。

将炭纤维制备成连续的多通道纳米孔结构可以有效提高炭纤维的能量密度。目前，传统制备多孔结构炭纤维的方法主要包括《沥青基活性碳纤维的电容特性》中公开的直接活化法、《Carbon hollow fibers with tunable hierarchical structure as self-standing supercapacitor electrod.Chemical Engineering Journal,2022,431:134099》中公开的湿法纺丝，或者《Phosphorus-doped thick carbon electrode forhigh-energy density and long-life supercapacitors.Chemical EngineeringJournal,2021,414(18):128767.》中借助于木质素特有的多孔结构得到。但是，这几种方法的制备工艺均比较繁琐，生产难度大，成本高，限制了其广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种多纳米孔道中空炭纤维及其制备方法，旨在解决现有技术中制备多孔结构炭纤维存在工艺繁琐、生产难度大、成本高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种多纳米孔道中空炭纤维，所述炭纤维内部有若干纵向连续的纳米孔道，所述孔道的孔径为2～1000nm，所述孔道的总容积占炭纤维总体积的20％～80％，所述炭纤维的含碳量＞98％，所述炭纤维的直径为5～50μm，石墨化度为80～100。

本发明还提供一种多纳米孔道中空炭纤维的制备方法，制备上述多纳米孔道中空炭纤维，包括以下步骤：

(1)混合：将原料沥青与造孔剂在高温下混合，所述造孔剂为高分子材料，混合温度为180～250℃，混合时间为4～10h；沥青与高分子材料的质量比为8～6：2～4；

(2)纺丝：将混合后的物料放入熔融纺丝机进行纺丝，纺丝温度为250～350℃，纺丝压力0.2～1.0MPa，收丝速度200～800m/s，得到直径为5～50μm的原丝；

(3)预氧化：原丝在空气下进行预氧化，温度200～250℃，预氧化时间4～8h，得到预氧化纤维；