[发明专利]一种石墨烯/二氧化锡交替层层堆叠复合纤维及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种石墨烯/二氧化锡交替层层堆叠复合纤维及其制备方法和应用，复合纤维是由石墨烯层和二氧化锡层交替堆叠构成；制备方法包括：将氧化石墨烯水溶液作为纺丝液，以壳聚糖/乙酸水溶液为凝固浴，湿法纺丝，得到氧化石墨烯纤维，浸入二氯化锡盐酸溶液中，洗涤，干燥，得到氧化石墨烯/锡盐复合纤维，焙烧，即得；复合纤维用作锂离子电池的负极。本发明实现了石墨烯复合纤维结构的精准调控；得到的石墨烯复合纤维具有高的电化学活性、导电性和柔性等特点，作为锂离子电池的负极材料，具有高比容量、良好的循环稳定性和倍率特性，以及优异的柔性。

技术领域

本发明属于石墨烯复合纤维及其制备和应用领域，特别涉及一种石墨烯/二氧化锡交替层层堆叠复合纤维及其制备方法和应用。

背景技术

石墨烯为一种具有高比表面积、柔性和优异电性能的二维碳材料，从2004年首次发现以来就受到广泛的关注(Science,2004,306,666-669)，将其作为电池的负极材料相较于传统石墨电极具有更加突出的电化学性能(Energy Environ.Sci.,2013,6,2414-2423)，因此制备性能优异的石墨烯纤维用于锂离子电池，能够实现储能性能和力学柔性的兼顾，有望应用于柔性和可穿戴电子设备。

石墨烯纤维可以通过湿法纺丝制备氧化石墨烯纤维后还原获得(Nat.Commun.,2011,2,571-579；Adv.Mater.,2015,27,5113-5131；中国专利CN 105887244B)，但是纺丝过程中氧化石墨烯片层堆叠现象严重，使得石墨烯纤维的容量出现大幅度降低。另一方面，可以添加活性材料制备成石墨烯复合纤维来提高容量。例如以二氧化钛为活性材料，采用湿法纺丝制备石墨烯/二氧化钛复合纤维(Nano Lett.,2017,17,3543-3549)；还有文献报道在石墨烯纤维表面生长钛酸锂活性材料，制备得石墨烯/钛酸锂复合纤维(Nano Res.,2016,9,230-239)。但是目前复合纤维都存在一个共性问题，即大容量的活性材料在循环过程中存在明显的体积变化和团聚，造成现有的石墨烯复合纤维的电池性能不佳。

为了解决上述问题，关键是在石墨烯复合纤维中同时解决石墨烯片层的堆叠和活性物质在电池循环过程中的大的体积变化，一种有效的方法就是精准调控石墨烯复合纤维的结构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨烯/二氧化锡交替层层堆叠复合纤维及其制备方法和应用，该方法实现了石墨烯复合纤维结构的精准调控，得到的石墨烯复合纤维具有高的电化学活性、导电性和柔性等特点，作为锂离子电池的负极材料，具有高比容量、良好的循环稳定性和倍率特性，以及优异的柔性。

本发明的一种石墨烯/二氧化锡交替层层堆叠复合纤维，所述复合纤维是由石墨烯层和二氧化锡层交替堆叠构成。

所述复合纤维的直径为10～300μm。

所述石墨烯层的厚度为0.5～10nm；二氧化锡层的厚度为10～300nm。

本发明的一种石墨烯/二氧化锡交替层层堆叠复合纤维的制备方法，包括：

(1)将氧化石墨烯水溶液作为纺丝液，以壳聚糖/乙酸水溶液为凝固浴，通过湿法纺丝连续制备氧化石墨烯纤维，其中氧化石墨烯水溶液浓度为0.5％～4％，壳聚糖/乙酸水溶液中壳聚糖浓度为0.002～0.006g/mL；

(2)将步骤(1)中氧化石墨烯纤维浸入二氯化锡盐酸溶液中，洗涤，干燥，得到氧化石墨烯/锡盐复合纤维，焙烧，得到石墨烯/二氧化锡交替层层堆叠复合纤维；其中二氯化锡盐酸溶液的浓度为1～20wt％。

所述步骤(1)中湿法纺丝的工艺参数为：注射量为100～600μL/min，凝固浴转速为3～30r/min。

所述步骤(2)中浸入时间为2～48h。

所述步骤(2)中洗涤为：分别用稀盐酸和无水乙醇洗涤。