[发明专利]掺氮多孔碳纳米纤维布的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳材料及化学电源技术领域，特别涉及一种用作锂离子电池负极材料的掺氮多孔碳纳米纤维布的制备方法。

背景技术

能源短缺和环境污染是当今世界人类社会必须面对的两大难题。解决这两大难题，学者们普遍认为途径有二：一是寻找和开发新的清洁能源替代现有化石能源；二是提高现有二次电池性能。

相比较其它传统二次电池技术，锂离子电池因具有工作电压高、体积小、质量轻、比能量高、无记忆效应、自放电小、循环寿命长、环境污染小、可安全快速充电、工作温度范围宽等优点被广泛应用于移动用电子设备（如手机、笔记本电脑、摄像机、数码相机等）、电动汽车能源技术、大规模储能电堆、UPS电源、空间技术、医疗仪器及国防军事等领域，被称为最有使用前途的二次电池技术。进入新世纪以来，混合动力汽车/纯电动汽车等新能源汽车快速发展，使动力型锂离子电池的研发掀起了新的高潮，如何提高锂离子电池的能量密度、功率密度、使用寿命和安全性，并降低成本，是当前研究的热点课题，其关键在于高性能电极材料包括高性能负极材料的研发。石墨是当前主流的商用锂离子电池负极材料。但因其容量低（理论比容量为372mAh/g），功率性能较差等原因难以满足动力电池对负极材料高容量、高功率密度和长寿命的要求。

为了继续提高锂离子电池的性能，各国都在研发性能更好的新型负极材料。随着纳米技术和改性技术的发展，一些新型的纤维状碳材料和多孔碳材料表现出良好的锂离子电池负极材料性能。但目前所报道的纤维状碳材料或多孔碳材料因电化学性能较差、成本过高，制备工序繁杂、不能稳定可控的获得高性能负极材料等原因难以满足现实需求。

电纺丝（Electrospinning），又称静电纺丝，是制备一维纳米材料的重要方法，几乎可以将任何可溶或可熔的高分子材料制备成连续纤维，纤维直径可以达到纳米级。电纺丝装置主要包括高压直流电源、导电的收集板和带针头的溶液定量供给设备。高压电源的正极与针头连接，负极与收集板连接，纺丝电压一般在20-35kV。针头与收集板可以垂直放置，也可以水平放置，实验室使用其距离一般为10-30cm。使用时，将前驱体溶液以一定速度从针头送出，此时前驱体溶液带正电。在电场力的作用下，带电液体在针头形成泰勒圆锥（Taylor coin），并从锥头以纤维形式喷向负极收集板。在静电场的作用下，纤维逐渐劈裂，溶剂逐渐挥发，纤维直径减小，最后在收集板上得到纳米纤维。一般情况下，电纺丝的最终产物是由前驱体纤维无规则编织形成的膜，结构类似于无纺布。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种掺氮多孔碳纳米纤维布的制备方法，采用成本低廉的原料，运用电纺丝和后续的碳化-活化的方法制备掺氮多孔碳纳米纤维布，操作简单，孔径可控并且分布均匀；制备所得的材料具有高导电率、高比表面积、丰富的孔隙等特征，有利于提高材料比容量，增大电极/电解液接触面积，缩短锂离子传输距离，改善负极材料功率性能。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

步骤一、将聚合物和富氮化合物溶于溶剂中，形成均匀的聚合物溶液；溶液质量分数为5%～20%，聚合物和富氮化合物质量比为1︰（1～9）；

所述聚合物为聚丙烯腈（PAN）、聚酰亚胺（PI）、酚醛树脂（Resol）或沥青中一种；

所述富氮化合物为三聚氰胺（Mel）、尿素、明胶（Gelatin）、聚苯胺或聚吡咯中一种；

所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）或四氢呋喃（THF）溶液中一种；

步骤二、将聚合物溶液作为前驱体溶液用于电纺丝，得到直径为几十纳米到几微米的纤维，纤维互相无规则缠结在一起形成无纺纤维布；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由直径为几十纳米到几微米的纤维所组成的无纺纤维布；

所述电纺丝具体参数为：将前驱体以0.5～2.0mL h^-1的恒定速率用微量定量泵送至电纺丝装置的每个喷嘴，电纺丝用平头不锈钢针头作为喷嘴，内径约为1mm；收集板为导体，如石墨纸、金属板；针头与石墨板间距离为10～20cm，电压为15～25kV；

步骤三、将步骤二得到的电纺丝在80～350℃下预处理、加热2～10h；预处理后电纺丝在氮气保护下，高温碳化和活化1～3h，得到掺氮多孔碳纳米纤维布；