[发明专利]多孔纳米碳纤维材料、锂电池正极材料和正极片

说明书

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体涉及一种用于制备锂电池的材料， 特别涉及一种多孔纳米碳纤维材料、由该多孔纳米碳纤维材料制备而 成的锂电池单质硫/多孔纳米碳纤维复合正极材料和正极片。

背景技术

能源短缺和环境污染是当今世界最为关注的二大难题。应用以燃 油为动力的交通运输工具所产生的能源短缺和环境污染问题尤其突 出，远期的解决方案是使用氢能，但经济和技术水平评估结果表明， 氢能应用涉及的许多基础设施问题的解决尚需时日，中长期内以二次 电池为纯动力或混合动力能源是解决能源短缺和环境污染的必然选 择。

锂离子电池由于具有能量密高度、自放电小、无记忆效应、工作 温度范围宽、循环寿命长及对环境友好等优点，是目前综合性能最好 的新型绿色环保高能二次电池，是最理想的动力电源之一。但是目前 商品化锂离子电池受到其正极材料过渡金属氧化物如LiCoO₂、 LiMnO₂和LiFePO₄等相对较低理论比容量的限制，其最高比容量只 能达到100～130Wh/kg，难以满足动力电池需要高容量电极材料的要 求。

单质硫的理论比容量为1672mAh/g，与锂组装成电池，理论比能 量可达2600Wh/kg，符合电动汽车对电池的要求，也符合便携式电子 产品对电池“轻、薄、小”的要求；并且硫具有来源广泛(成本低)、无 毒(无污染)等特点。因此，含硫复合正极材料以其高容量、低成本， 低毒性、循环性能较好等优点，成为目前最具有发展前途的正极材料 之一，是有开发价值和应用前景的二次动力锂电池正极材料。但是容 量衰减迅速是目前硫正极材料在锂电池应用中遇到的最大问题，原因 是它们的电子离子绝缘以及材料或嵌锂产物溶解于有机溶剂。因此， 提高硫正极材料的电导率、降低或克服活性硫的溶剂溶解性是解决问 题的关键。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种多 孔纳米碳纤维材料。

本发明的另一目的在于提供一种由上述多孔纳米碳纤维材料制 备而成的锂电池单质硫/多孔纳米碳纤维复合正极材料。

本发明的再一目的在于提供一种由上述锂电池单质硫/多孔纳米 碳纤维复合正极材料制备而成的、具有较好的循环稳定性的锂电池正 极片。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种多孔纳米碳纤维材料，由以下方法制备得到：

(1)将聚合物共混物或者共聚物溶于溶剂中，形成均匀的聚合 物溶液；

(2)将聚合物溶液用于电场纺丝，得到直径为几十纳米到几微 米的纤维；聚合物溶液在高压直流电源的作用下，能够克服表面张力， 形成喷射细流，在喷射过程中，溶剂不断挥发，射流的不稳定性和静 电力的作用使射流不断被拉伸，有时会发生射流分裂现象，最终在收 集器上得到直径为几十纳米到几微米的纤维；

(3)将步骤(2)得到的电纺丝在160～280℃下加热、预氧化2～ 4h；预氧化后电纺丝进行高温加热碳化1～3h，得到多孔纳米碳纤 维材料。

步骤(1)所述聚合物共混物为下列组合中的一种：

①聚丙烯腈(PAN)与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的混合物， 两者的质量比为9∶1～1∶1；

②聚丙烯腈(PAN)与聚苯乙烯(PS)的混合物，两者的质量 比为9∶1～1∶1；

③聚丙烯腈(PAN)与左旋聚乳酸(PLLA)的混合物，两者的 质量比为9∶1～1∶1；

步骤(1)所述共聚物为聚(丙烯腈-甲基丙烯酸甲酯)P (AN-MMA)、聚(丙烯腈-苯乙烯)P(AN-St)、聚(丙烯腈-左旋乳 酸)P(AN-LLA)或聚(丙烯腈-乙酸乙烯酯)P(AN-VAc)中的一 种；所述共聚物中两种单体的摩尔比为9∶1～1∶1；

步骤(1)所述的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃 (THF)或二甲基亚砜(DMSO)中的一种；所述聚合物溶液的质量 分数为8～10％；

步骤(2)所述电场纺丝的电压为10～20kV，毛细管末端与收集 器之间的距离为10cm；

步骤(3)所述的电纺丝预氧化，其升温速率为10℃/min；

步骤(3)所述的电纺丝高温碳化是以氮气为保护气体；所述碳 化的温度为600～1200℃。