[发明专利]钠离子电池用四氧化三钴碳纳米纤维的电纺丝制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钠离子电池负极材料技术领域，具体涉及钠离子电池用Co₃O₄碳纳米纤维的电纺丝制备方法。

背景技术

过去的数十年，锂离子电池以其较高的能量密度和较长的使用寿命在各类便携式电子设备、电动车中得到广泛应用。但是锂资源有限，价格昂贵，一定程度上限制了锂离子电池的大规模应用。钠与锂在元素周期表中处于同一主族，具有相似的物理化学性质。钠离子电池由于钠资源蕴藏量丰富、环境友好受到了广泛关注。钠离子电池的研究开发在一定程度上可缓和因锂资源短缺引发的电池发展受限问题，被认为是替代锂离子电池作为大规模储能电站配备电源及下一代电动汽车动力电源的理想选择。然而，由于钠离子的半径要比锂离子的半径大55％，导致电化学反应过程中钠离子扩散速度慢，很难嵌入和脱嵌于已经商业化的锂离子电池负极材料石墨粉。因而寻找合适的钠离子电池负极材料成为钠离子电池研究的热点。

过去的十几年时间里，科研工作者对钠离子电池的正极材料开展了广泛的研究，但对钠离子电池负极材料的研究仍处于起步阶段。在现有的钠离子电池负极材料体系中，碳纳米纤维具有良好的冲放电循环稳定性，但其可逆比容量太低(小于300mAhg^-1)，不能满足高比容量钠离子电池商业化应用的需求。已有的研究结果表明，过渡金属氧化物作为钠离子电池负极材料具有很高的理论可逆比容量(约1000mAhg^-1)。Rahman M.M.等人(Chem.Commun.，50(2014)5057-5060)报道了Co₃O₄粉末作为钠离子电池负极材料的研究结果：在25mAg^-1的电流密度下，循环50次后，其可逆比容量仍保持在447mAhg^-1。但是由于Co₃O₄本身电子/离子电导率较低，从而降低了它作为电极材料的倍率性能，再加上其复杂的电极制造工艺，限制了其作为钠离子电池负极材料的大规模使用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了钠离子电池用Co₃O₄碳纳米纤维的电纺丝制备方法，制备的Co₃O₄碳纳米纤维将Co₃O₄的较高可逆比容量和碳纳米纤维的较高电子/离子电导率结合起来，具有工艺简单、成本低的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

钠离子电池用Co₃O₄碳纳米纤维的电纺丝制备方法，包括以下步骤：

1)电纺丝前驱体液的配置：将Co²⁺盐溶于去离子水和有机溶剂按照体积比1:1的混合溶液中，Co²⁺盐的质量与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.14～0.29g/mL；然后再给混合溶液加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉体，搅拌得到均匀的电纺丝前驱体液，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与去离子水和有机溶剂混合溶液的质量体积比为0.08～0.15g/mL；

所述的Co²⁺盐选自氯化钴、硝酸钴或硫酸钴中的任意一种；

所述的有机溶剂选自乙醇、甲醇或N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中的任意一种；

所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分子量为130万；

2)电纺丝法制备Co²⁺盐/PVP复合纤维膜：以步骤1)得到的电纺丝前驱体液进行静电纺丝，得到Co²⁺盐/PVP复合纤维膜，纺丝电压12～25kV；喷头到接收板的间距8～20cm；环境湿度30～60％；

3)Co₃O₄碳纳米纤维的制备：将步骤2)得到的Co²⁺盐/PVP复合纤维膜进行煅烧，使其预氧化和碳化，得到Co₃O₄碳纳米纤维，

预氧化的参数为：升温速率为0.5～6℃/min；煅烧温度为300～400℃；煅烧时间为2～5h；煅烧气氛为空气；

碳化的参数为：升温速率为3～8℃/min；煅烧温度为700～900℃；煅烧时间为2～5h；煅烧气氛为空气。