[发明专利]碳纤维/碳纳米管复合膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种锂离子电池负极材料，具有涉及一种碳纤维/碳纳米管复合膜及其制备方法和该复合膜作为锂离子电池负极材料的应用。

背景技术

锂离子电池因其高的能量密度和低的成本引起人们极大的研究兴趣。作为能量储存与转换装置，锂离子电池在便携式电子设备(如手机，电脑，相机等)市场中占据着主导位置，并且有望用于电动车，混合动力汽车及可再生能源(如风能，太阳能等)大型储能设备中，具有广泛的应用前景。尽管如此，锂离子电池仍然存在许多问题与挑战。一方面，目前已经商业化的负极材料石墨，其理论比容量仅为372mAh g^-1，无法满足市场对锂离子电池高能量密度的需求。另一方面，现有电子设备不仅在性能上寻求进步，更加注重设计上的突破，如更轻薄更灵活可弯折可穿戴等。而其电源--锂离子电池大多为圆柱型，棱柱形以及纽扣式，其固有的形状和较重的质量很难实现这一设计转变。因此，有必要对锂离子电池尤其是负极材料做进一步的改善。

碳素材料如石墨烯，碳纳米管，介孔碳，碳纤维等因其高的导电性和大的比表面积，表现出很好的电化学性能，成为目前替代石墨负极的最优材料。然而，目前这些材料大多制备方法复杂，应用受限。本发明通过有效的工艺方法和途径，在碳前驱体中加入碳纳米管，通过简单的静电纺丝，然后预氧化和碳化从而得到碳纳米管均匀分布在碳纤维网络结构中的复合薄膜，该薄膜具有很好的柔韧性，可任意弯折，将其直接用于锂离子电池负极材料而不加入任何粘接剂或导电添加剂，不仅简化了电极材料的制作工序，并且大大提高了锂离子电池的比容量和循环性能，同时其柔韧可弯折的特性使锂离子电池的形状可按人们不同的需求进行设计而不仅仅局限于传统的纽扣式，圆柱式或棱柱式。

发明内容

本发明的目的是克服现有锂离子电池负极材料石墨比容量低，电池形状设计受限的缺点，通过简单的静电纺丝法，得到柔性自支撑碳纤维/碳纳米管复合负极材料，大大简化锂离子电池电极材料制备工序，提高锂离子电池的比容量和循环性能，从而设计出形状和性能更能满足市场需求的锂离子电池，促进锂离子电池的广泛应用。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

一种碳纤维/碳纳米管复合膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：聚丙烯腈/碳纳米管复合膜的制备

将聚丙烯腈加入有机溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，加热至温度30～60℃，搅拌至聚丙烯腈全部溶解，配置得质量分数7～12％的聚丙烯腈溶液；随后将聚丙烯腈重量计0～20％的碳纳米管加入聚丙烯腈溶液中，继续搅拌，接着将该溶液静电纺丝得到所述的聚丙烯腈/碳纳米管复合膜；

步骤B：聚丙烯腈/碳纳米管复合膜的预氧化和碳化

将步骤A的聚丙烯腈/碳纳米管复合膜在温度200～300℃下预氧化0.5～8h，接着在温度600～1100℃下碳化1～12h，得到所述的碳纤维/碳纳米管复合膜。

根据本发明的一个具体实施例，所述的聚丙烯腈的分子量为20000～150000Da。

根据本发明的一个具体实施例，将聚丙烯腈重量计0～20％的碳纳米管加入聚丙烯腈溶液后的搅拌时间为0.5～30h。

根据本发明的一个具体实施例，所述的静电纺丝的参数设置如下：电压，12～25KV；溶液推进速度，0.1～1mL/h；纤维收集距离，10～25cm；纤维收集的方式为平板收集、滚筒收集、滚轮收集或铝丝收集。

根据本发明的一个具体实施例，所述的预氧化是在氧气或空气的气氛下进行。

根据本发明的一个具体实施例，所述的碳化是在氮气、氩气、氦气、氖气、氪气或氙气的气氛下进行。

本发明还提供了一种由所述的碳纤维/碳纳米管复合膜的制备方法制备而得的碳纤维/碳纳米管复合膜，碳纳米管均匀的嵌在碳纤维网络结构中，碳纤维的直径为0.1～10μm。

本发明还提供了一种锂离子电池负极材料，是将所述的碳纤维/碳纳米管复合膜裁剪后作为锂离子电池负极材料。

根据本发明的一个具体实施例，所述的碳纤维/碳纳米管复合膜裁剪后的形状为圆片、圆环、长方形、正方形或电缆型。

为了使本发明更加的清楚明白，下面详细的说明本发明。

一种碳纤维/碳纳米管复合膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤A：聚丙烯腈/碳纳米管复合膜的制备