[发明专利]一种多孔氮掺杂碳/Fe2

说明书

本发明提供了一种多孔氮掺杂碳/Fe₂O₃/石墨烯柔性复合材料、制备方法及其应用。该柔性复合材料中，石墨烯包覆Fe₂O₃纳米颗粒，氮掺杂碳具有多孔的泡沫结构。该方法包括：制备纯净的三聚氰胺泡沫，氮气中煅烧后得到氮掺杂碳泡沫基体，将纳米Fe₂O₃、氧化石墨烯溶液和聚乙烯吡咯烷酮混合后制备得到纺丝原液，将氮掺杂碳泡沫基体为接收装置，采用高压静电纺丝技术将纺丝原液直接纺制在碳泡沫上，得到多孔氮掺杂碳/Fe₂O₃/氧化石墨烯/PVP复合材料，然后经高温碳化冷却后得到所述柔性复合材料。该材料用于锂离子电池的负极材料，具有良好的柔性、高电导率和高比容量等特点。

技术领域

本发明涉及新能源材料领域，尤其涉及一种多孔氮掺杂碳/Fe₂O₃/石墨烯泡沫柔性复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，可弯曲折叠的柔性电子器件需求量逐年增加，而柔性锂离子电池是柔性电子器件的核心部件。传统的锂离子电池主要是将活性材料、导电剂、粘结剂混合涂覆在金属集流体上，经过烘干辊压而成，电极材料不具备柔韧性，且集流体的存在大大降低材料整体的能量密度。因此，需要开发无粘结剂、导电剂和集流体的自支撑柔性电极材料，以满足柔性电子器件的需求。

目前，商业化的锂离子负极材料主要是碳材料，其具有很多的局限性：理论容量低，电位与金属锂接近可能会在表面产生枝晶等，安全性能得不到保证。近年来，Fe₂O₃因其理论比容量高，资源丰富，成本低廉及安全无毒等优点，被认为是具有潜在应用前景的锂离子电池负极材料之一，但在循环过程中材料本身巨大体积变化所造成的容量衰减以及其较低的电子传导性所伴随的较差倍率性能，严重阻碍了其实际应用。为了改善Fe₂O₃材料的循环稳定性能，目前采用的改性手段主要有碳包覆，掺杂以及制备纳米多孔结构的Fe₂O₃材料。碳包覆可以改善Fe₂O₃基复合材料与电解液的兼容性，还可以提高复合材料的电导率。多孔结构可以为Fe₂O₃材料的体积膨胀提供预留空间，缓解体积膨胀造成的体积应力。石墨烯作为一种二维碳材料，具有优良的力学性能和良好的电导率，通过与Fe₂O₃材料复合可以改善复合材料的电导率以及电化学性能。

综上分析，结合自支撑柔性电极的特点以及Fe₂O₃的优缺点，将三聚氰胺泡沫、Fe₂O₃和石墨烯进行三元复合，利用复合材料的协同效应，自支撑的柔性复合电极作为锂离子电池负极材料，有希望显著提升其电化学性能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种多孔氮掺杂碳/Fe₂O₃/石墨烯柔性复合材料及其制备方法和应用。该复合材料具有良好的柔性、高电导率和高比容量等特点，无粘结剂、导电剂和集流体的自支撑柔性电极材料可以显著提高材料的能量密度与弯曲条件下的电化学性能。

本发明采用如下技术方案：一种多孔氮掺杂碳/Fe₂O₃/石墨烯柔性复合材料，其中：石墨烯包覆Fe₂O₃纳米颗粒，氮掺杂碳具有三维多孔的泡沫结构。

一种多孔氮掺杂碳/Fe₂O₃/石墨烯柔性复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备纯净的三聚氰胺泡沫；