[发明专利]一种钴酸镍纳米线包覆碳纤维柔性电极材料的制备方法

说明书

一种钴酸镍纳米线包覆碳纤维柔性电极材料的制备方法，将PAN溶解在DMF中加热搅拌，配制聚合物溶液；然后使用静电纺丝法制备柔性膜状碳纤维前驱体，预氧化、碳化后得到柔性碳纤维基底，然后通过溶剂热，使钴酸镍在碳纤维表面成核生长，煅烧后得到钴酸镍纳米线负载碳纤维柔性电极材料。本发明中碳纤维柔性好且纤维本身具有的含氧官能团提高了其活性，无水乙醇作为溶剂降低了溶剂的极性，使得钴酸镍更易在纤维表面成核结晶，并在碳纤维表面上生长成纳米线结构，钴酸镍和柔性碳纤维基底之间的结合力高且具有较好的柔性。此方法所制备的材料结合了碳材料良好的循环稳定性和钴酸镍高的能量密度和比电容量，从整体上提高了电极的电化学性能。

技术领域

本发明属于纳米复合材料制备技术领域，涉及一种钴酸镍纳米线包覆碳纤维柔性电极材料的制备方法。

背景技术

随着弯曲/可折叠电子设备的发展，开发具有高能量密度的柔性电极材料已经成为研究热点。目前发展柔性电子技术最大的挑战之一就是与之相适应的轻薄且柔性的电化学储能器件。传统的锂离子电池、超级电容器等产品是刚性的，在弯曲、折叠时，容易造成电极材料和集流体分离，影响电化学性能，甚至导致短路，发生严重的安全问题。因此为了适应下一代柔性电子设备的发展，柔性电极的研究成当务之急。其中，碳材料因为气体阻力小、比表面积大、机械强度高、质轻是一种良好的集流体，其中碳纤维作为集流体的最突出的优点就是具有良好的柔韧性，满足当代社会对于弯曲/可折叠电子设备的需求，可以有效克服刚性材料在弯曲、折叠时造成的电极材料和集流体分离从而导致短路等严重的安全问题，制成各种形式的无粘结剂，质轻，高能量密度的自支撑柔性电极，是构建柔性自支撑电极材料的良好基底。但是，碳纤维作为电极材料受双电层储能机理的限制，其比电容和能量密度欠佳，难以满足实际应用的要求，因此可通过表面沉积或化学修饰等方法制备碳纤维基复合材料提高电化学性能。NiCo₂O₄是Ni原子取代Co₃O₄中的Co原子而得到的一种复合双金属氧化物，其具有与Co₃O₄主体相同的尖晶石结构，具有比NiO和Co₃O₄更高的电导率，在超级电容器的赝电容材料表现出了良好的电化学性能，因此是一种良好的电容器电极材料，制备出碳纤维负载钴酸镍柔性电极材料，此方法不但能实现电极材料的柔性化，还减少了粘合剂的使用，可从整体上提高电极使用寿命。

申请号为201710599850.1的中国发明专利公开了一种氮掺杂碳纳米纤维负载钴酸镍复合电极材料的制备方法，该方法将聚苯胺溶解于丙酮和DMF溶液中，再将聚丙烯腈溶解在上述混合溶液中，静电纺丝得到掺氮的碳纤维，再配制六次甲基四胺，甲醇和蒸馏水混合溶液，通过溶剂热法，制备CNW/NiCo₂O₄复合材料。Fangze Deng等人将碳布在HCl溶液、去离子水和乙醇中依次进行超声波清洗得到活化的碳纤维布，然后在水热条件下在碳布上生长钴酸镍纳米片，最后经过热处理得到钴酸镍/碳布复合材料来提高电极的电化学性能[Journal of Power Sources，2014，251(2):202–207.]。Huanwen Wang等人将碳布在在丙酮、1M H₂SO₄溶液、去离子水和乙醇中依次进行超声波清洗得到活化的碳纤维布，然后在水热条件下在碳布上生长钴酸镍纳米片，最后经过热处理得到钴酸镍/碳布复合材料来提高电极的电化学性能[Applied Materials&Interfaces，2013，5(13):6255.]。

然而，上述方法中需要进行多次处理才能得到活性碳纤维布，处理过程繁琐，成本高；使得复合材料的成本较高难以推广应用。

鉴于以上缺陷，实有必要提供一种操作简单，成本低，结合力好的柔性自支撑工作电极的制备方法。

发明内容