[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

说明书

本发明公开了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。先以六水合硝酸钴为钴源，含丙三醇的混合醇为溶剂，通过溶剂热法制备钴的前驱体纳米颗粒，然后通过静电纺丝制备聚丙烯晴(PAN)包覆的钴前驱体纳米球，最后通过高温煅烧硫化制备核壳结构钴基硫化物颗粒，同时将有机高分子碳化，得到内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维。本发明中钴基硫化物核壳结构纳米球在碳纤维中的分布，可以实现从单一球到多个球渐变的精确调控。本发明所得含有核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维作为锂离子电池负极材料应用于锂离子电池中，所得锂离子电池具有良好的倍率性能和优异的循环稳定性。

技术领域

本发明涉及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，属于锂离子电池负极材料制备技术领域。

背景技术

锂离子电池(LIB)，凭借高的能量密度和长循环寿命，已经成为了应用最为广泛的能量存储系统之一，例如各种掌上电子设备、电动自行车，电动汽车等。相对于掌上电子设备，如手机电脑等，电动汽车需要显著提高锂离子电池各个方面性能，例如达到更高的能量密度(2030年达到500Wh/Kg)、更好的安全性和更低的成本。尽管石墨作为商业化最成功的负极材料，但其仍然存在理论容量低、安全隐患等问题。寻找下一代高能、安全的锂离子电池负极材料是当代社会的迫切需求。

过渡金属硫化物由于具有较高的理论容量和电子导电性，已经受到了广泛的研究，是最具希望的锂离子电池负极材料之一。其中不同化学计量比的钴基硫化物Co₉S₈(545mAh/g)、CoS(589mAh/g)、Co₃S₄(702mAh/g)已成为当前研究的热点。到目前为止，金属硫化物的储能机理的研究主要集中于可逆转换机制，即：然而在实际应用中，金属硫化物负极材料在嵌锂和脱嵌的过程中，由于体积反复地膨胀和收缩，而造成材料的粉化脱落，使材料的容量在循环过程中迅速衰减。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的第一个目的在于提供一种内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维。

本发明的第二个目的在于提供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。该制备方法简单易行，条件温和，所得产物形貌多变、可控可调，具有较强的应用前景。

本发明的第三个目的是提供上述内含核壳结构钴基硫化物纳米球的碳纤维在锂离子电池上的应用。所得锂离子电池具有高放电比容量、优异的循环稳定性。

本发明所提供的一种内含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，且被碳纤维包覆。

优选的，所述碳纤维的直径为500nm～3μm。

本发明所提供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，包括以下步骤：

将含钴源的溶液A进行水热反应，反应完成后，分离获得钴前驱体纳米球，再将钴前驱体纳米球、聚丙烯腈(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≤3:1；

所述硫化煅烧的温度为500～800℃，煅烧的时间为1～6h。

通过控制添加硫源的质量、煅烧温度和时间，可以获得不同化学计量比的钴基硫化物(CoS、Co₃S₄、Co₉S₈)。

优选的方案，所述钴源为六水合硝酸钴或乙酰丙酮钴中的一种；作为进一步的优选，所述钴源为六水合硝酸钴。