[发明专利]一种金属碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种金属碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用，其解决了现有材料中金属活性材料的纺入量较低的技术问题，本发明中金属碳纳米纤维复合材料包括碳纳米纤维和块体金属活性材料；块体金属活性材料的表面被聚合物基的碳包覆，且内部为纳米球形材料；块体金属活性材料由碳纳米纤维牵引并被碳纳米纤维所缠绕；金属活性物质占金属碳纳米纤维复合材料的质量分数为30～70％。本发明同时提供了其制备方法和应用。本发明可用于电池材料的制备领域。

技术领域

本发明涉及电池材料领域，具体地说涉及一种金属碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近些年来，石油资源的短缺以及环境问题的日益加剧，迫使人们开发一些更加清洁和高效的储能设备。在所有的储能设备中，锂离子电池因其高能量密度、长循环寿命等特点而被广泛应用。但由于全世界金属锂的储量有限，科研工作者开始开发如钠离子电池、镁离子电池、铝离子电池等储能设备。与此同时，人们对于储能设备的需求逐渐多样化，柔性电极材料的研发成了一个重要的科研课题。

静电纺丝具有制备装置简单、成本低、可纺材料多、工艺可控性强、易工业化推广等优点。在所有涉及柔性电极材料的研究中，静电纺丝法作为制备柔性电极材料的手段受到了人们的广泛关注。

目前，关于静电纺丝法的研究主要集中于将金属活性材料分散于纤维的内部，得到碳纳米纤维复合材料。通过上述方法可以解决大部分电极材料体积膨胀大的问题，同时可以增加材料的导电性，有利于提高电极材料的电化学性能。

但此种方法金属活性材料的纺入量较低，且静电纺丝法对于溶液体系的选择、静电纺丝参数的设定以及热处理的选择等方面具有较高的要求，外部条件对产物的微观结构也有较大的影响，仍需要大量的研究来克服现有的问题。目前，国内外采用经典纺丝的研究主要集中于将纳米材料分散于纤维的内部，得到碳纳米纤维复合材料，鲜有将微米尺度材料与静电纺丝法结合的报道。

发明内容

本发明就是为了解决现有材料中金属活性材料的纺入量较低的技术问题，提供一种通过将微米尺度的材料进行静电纺丝、得到金属碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用。

为此，本发明提供一种金属碳纳米纤维复合材料，金属碳纳米纤维复合材料包括碳纳米纤维和金属活性材料，所述块体金属活性材料的表面被聚合物基的碳包覆，且内部为纳米球形材料；同时块体金属活性材料由碳纳米纤维牵引并被碳纳米纤维所缠绕；金属碳纳米纤维复合材料的金属活性物质质量分数为30～70％。

优选的，金属活性材料为柠檬酸铁、柠檬酸铋、柠檬酸钴、柠檬酸铁铵、柠檬酸镍、柠檬酸锌、柠檬酸钛、柠檬酸锆、柠檬酸锡、柠檬酸镁或柠檬酸铜中的一种或几种碳化后形成的材料。

优选的，聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚吡咯、聚酰亚胺或聚乙烯醇中的一种或两种组合。

本发明同时提供了一种金属碳纳米纤维复合材料的制备方法，其包括如下步骤：(1)配置静电纺丝溶液：将1～10wt％的聚合物加入有机溶液中，放入60～90℃的烘箱中恒温处理3～30小时，再加入金属前驱体，然后搅拌4～24小时，制得静电纺丝溶液，金属前驱体与聚合物的重量比之比为(0.5～10)：1；(2)采用静电纺丝方法制备复合纳米纤维膜：使用的静电纺丝方法参数：注射器针头内径为0.9～1.6mm，温度为15～40℃，相对湿度30％，静电电压为15～22kV，纺丝液流量为0.4～1.5ml/h，接收距离为15～30cm，转筒转速为500～1200rpm，采用单针或多针头纺丝；(3)热处理：将所述步骤(2)得到的复合纳米纤维膜在氮气氛围、600～1000℃下进行热处理，升温速度为1～10℃/min，降温速度为1～10℃/min，保温时间为1～5小时，即得最终产物。

优选的，步骤(1)的聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯腈、聚吡咯、聚酰亚胺或聚乙烯醇中的一种或两种组合。