[发明专利]金属纤维-纳米碳纤维-碳气凝胶复合材料和制备方法及用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属纤维-纳米碳纤维-碳气凝胶复合材料及其制备方 法，具体地说，涉及一种由微米直径金属纤维构建的薄层大面积网络、生长 于金属纤维上的纳米碳纤维和涂覆于纳米碳纤维上的碳气凝胶组成的复合材 料及其制备方法，属功能材料及其制备的技术领域。

技术背景

锂电池(LIB)和超级电容器(EDLC)等新型化学电源技术，由于在节能、 环保和碳减排等方面具有显著的优越性，长期作为新能源动力发展突破口的 趋势日见清晰。新型化学电源已经被列入《国家中长期科学和技术发展规划 纲要》和《上海市中长期科学和技术发展规划纲要》，成为国家要长期发展的 新能源技术中的重要前沿。

电极材料是决定化学电源性能的关键之一。高性能电极材料的研究开发， 一直是化学电源研究领域的核心课题。碳材料在LIB和EDLC等新型化学电源 中已被广泛应用。目前，国内外有关高性能化学电源碳电极材料的研究大多 还集中在特定织构和晶构的碳材料的调控合成及其电化学性能的研究方面。 纳米碳管(CNTs)具有大的长-径比、较大的比表面积和高导电性等特性，发 现有较高的EDLC储能性能(＞100F/g)以及很高的LIB可逆放电容量(＞500 mAh/g)。另外，碳气凝胶(CAGs)是一种有前景的新结构碳电极材料，由于 孔径大(2-10nm)的特点，用于EDLC可避免活性炭丰富的微孔空间内发生 “重叠效应”而不利于双电层(～1nm)形成的问题，用于LIB则有利于Li+ 离子的快速插入和移出。然而，CNTs和CAG的应用，却遇到与活性炭粉体相 同的成型问题，无粘接剂的跨尺度制备仍无法突破。传统胶粘剂的使用不仅 会牺牲电极材料的比表面积、甚至破坏碳材料的结构特性，还导致很高的电 荷传导阻力和离子传递阻力。

近年来，围绕新型化学电源碳电极新材料体系，特别是其跨尺度制备的 研究渐趋活跃。Futaba等(Nano Lett.，2008，8，2437)报道了采用液流诱 导“CNTs丛林”坍塌的方法制备了高密度、排列整齐的块状CNTs材料，由 于CNTs的本征特性得以保留，该材料的电容可达80F/g；这种方法不仅成 本高，储能电容量也较低。Beguin等(Adv.Mater.，2005，17，2380.)尝试 了将CNTs作为结构加固剂掺入聚酰亚胺胶体再碳化来制备大尺度碳气凝胶， 效果十分有限；同时，制备的材料在1M H2SO4的电容量也仅达到100F/g； 然而CNTs与聚酰亚胺胶体难以实现均匀混合，导致部分碳气凝胶颗粒间电荷 传递阻断而致使其利用效率较低(即电容较低)。Kim等(Adv.Mater.，2008， 20，466.)采用交联DNA粘合CNTs再纺丝制备了DNA-CNTs复合纤维，其在有 机电解质中的电容达到～100F/g(CNTs)。Wallace等(Adv.Mater.，2008， 20，566.)报道了一种碳纸上直接生长CNTs的大尺度LIB电极材料，虽然获 得了高达572mAh/g的可逆放电容量，但发现CNTs的稳定分散制备困难。

发明内容

本发明的目的：要解决的第一个技术问题是提出一种尺度跨越宏观、微 观和纳米的金属纤维-纳米碳纤维-碳气凝胶复合材料，它由微米直径金属纤 维构建的薄层大面积网络、生长于金属纤维上的纳米碳纤维和涂覆于纳米碳 纤维上的碳气凝胶组成，具有自支撑整体结构；无需有机聚合物高分子粘结 剂；导电性高，内阻小；具有利于离子传输和存储的三维层次孔结构；碳气 凝胶负载量大，可达80％(重量)；具有独特的形状因子，可以制成薄层大面 积结构；易于制造、制造费用小等特点。要解决的第二个技术问题是提供一 种所述材料的制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种金属纤维-纳米碳纤维-碳气凝胶复合材料，特点是：该复合材料由 微米直径金属纤维构建的薄层大面积网络、生长于金属纤维上的纳米碳纤维 和涂覆于纳米碳纤维上的碳气凝胶组成，其材料中各组分重量含量为：金属 纤维占10～40％、纳米碳纤维占10～40％、碳气凝胶占20～80％。

首先通过催化化学气相沉积(CCVD)的方法在薄层大面积金属纤维网络 表面生长纳米碳纤维(CNFs)；其次用碳气凝胶前体的溶液或溶胶浸渍第一步 所制样品，再经热解碳化的方法将碳气凝胶组装到纳米碳纤维上，形成尺度 跨越宏观，微观和纳米的自支撑纳米碳纤维-碳气凝胶复合材料。

现详细叙述所述复合材料的制备方法：