[发明专利]一种内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维的制备方法及其应用

权利要求书

1.一种内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

将含钴源的溶液A进行溶剂热反应，反应完成后，分离获得实心的钴前驱体纳米球，再将钴前驱体纳米球、PAN分散于有机溶剂中形成混合液B，对混合液B进行静电纺丝，获得含有钴前驱体纳米球的PAN纤维，再将含有钴前驱体纳米球的PAN纤维在保护气氛下进行硫化煅烧，即获得含有核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维；所述钴基硫化物纳米球具有核壳结构，填充于碳纤维单丝内，被碳纤维包覆；

所述含钴源的溶液A中的溶剂为两种醇组成的混合溶剂，所述混合溶剂中包含丙三醇；

所述混合液B中，钴前驱体纳米球与PAN的质量比为0.4:1～1.5:1，

所述硫化煅烧的温度为500～800℃，煅烧的时间为1～6h。

2.根据权利要求1所述的一种内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维的制备方法，其特征在于：

所述钴源为六水合硝酸钴或乙酰丙酮钴中的一种；所述含钴源的溶液中，钴元素的浓度为0.0167mol/L～0.167mol/L；

所述混合溶剂中另一种醇选自乙醇、丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇中的至少一种；所述丙三醇与另一种醇的体积比为1:3～1:30；

所述溶剂热反应的温度为120～220℃，溶剂热反应的时间为4～40h。

3.根据权利要求2所述的一种内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维的制备方法，其特征在于：

所述含钴源的溶液A中，钴元素的浓度为0.067mol/L～0.1mol/L；

所述丙三醇与一元醇的体积比为1:10～1:15；

所述溶剂热反应的温度为180～200℃，溶剂热反应的时间为6～12h。

4.根据权利要求2所述的一种内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维的制备方法，其特征在于：混合溶液B的溶剂为DMF；

所述PAN在混合液B的质量分数为5～11wt％；

所述混合液B中，钴前驱体纳米球与PAN的质量比为0.4:1～2:1；

所述静电纺丝的电压为5～20kV。

5.根据权利要求2所述的一种内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维的制备方法，其特征在于：所述硫化煅烧过程中，所用硫源选自硫粉、硫化氢中的一种；所述硫源的加入量按摩尔比计为，硫源:钴源＝1:1～10:1。

6.根据权利要求5所述的一种内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维的制备方法，其特征在于：当N_(S):N_(Co)在1:1～1.2:1范围内，煅烧温度为700℃，保温4h，所得含有核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维中的钴基硫化物为Co₉S₈；当N_(S):N_(Co)在2:1～5:1范围内，煅烧温度为700℃，保温2h，所得含有核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维中的钴基硫化物为CoS；当N_(S):N_(Co)在5:1～10:1范围内，煅烧温度为600℃，保温2h，所得含有核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维中的钴基硫化物为Co₃S₄。

7.根据权利要求1所述的一种内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维的制备方法，其特征在于，所述硫化煅烧的温度为600～700℃，煅烧的时间为2～4h，所述煅烧的升温速率为3～5℃/min。

8.根据权利要求1所述的一种内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维的制备方法，其特征在于，所述碳纤维的直径为500nm～3μm。

9.一种如权利要求1-8任意一项所述制备方法所制备的内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维的应用于锂离子电池。