[发明专利]木质炭纤维/金属氧化物复合负极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种木质炭纤维/金属氧化物复合负极材料，所述木质炭纤维/金属氧化物复合负极材料中木质炭纤维的直径为1μm～10μm，金属氧化物纳米颗粒均匀分布于炭纤维表面。本发明还公开了前述复合负极材料的制备方法，本发明的复合负极材料比容量大、倍率性能优异、体积能量密度高。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料领域，尤其涉及一种木质炭纤维/金属氧化物复合负极材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，手机、平板电脑、笔记本电脑等便携式电子产品的快速发展，以及新能源电动汽车的不断普及，对能量存储系统的需求在不断提高。锂离子电池作为新能源汽车的动力来源之一，已被列入我国《国家中长期科学和技术发展纲要》（2006-2020年）中。石墨作为锂离子电池负极材料，因其具有稳定性好、循环寿命长等优点，被广泛使用。然而，由于石墨的理论比容量仅为372 mAh/g，使石墨负极材料已无法满足对高能量密度和功率密度日益增长的需求。另外，大部分石墨负极材料都是通过天然矿产加工制得的，电动汽车的快速发展会导致石墨矿产资源的过度开采，使得石墨也将面临和石油等不可再生资源类似的窘境。从长远发展来看，作为大规模商业化的电动汽车用锂离子电池应该采用环保可再生、成本低廉、性能优异的负极材料。

生物质衍生炭材料作为一种环保可再生材料日渐受到广泛关注。生物质炭材料可由多种廉价的天然原材料热解而成，微观结构由石墨片层无序堆叠而成，平均层间距大于石墨，且其结构中含有一定数量的微孔。有研究人员尝试将生物质原材料直接热解得到炭负极材料，然而，该炭负极材料形貌不规整，难以完全发挥出应用于负极材料时的比容量大、倍率性能优异等特点。例如，公开号为CN107623105A的中国专利文献以生物废弃物（如芋头茎、稻壳等）为原料制备的炭负极材料，存在制备方法时间长、步骤繁琐等缺点，导致成本高，难以商业化，且该炭材料的颗粒尺寸大、形貌不规整，难以发挥生物质炭材料的优势。公开号为CN106948032A的中国专利文献以商用纤维素为原料，经过催化石墨化制备了炭纤维负极材料，该法制备的炭纤维负极材料存在纤维状形貌不明显、比容量小（368 mAh/g）等特点，难以真正取代现有的石墨负极材料。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种比容量大、倍率性能优异、体积能量密度高的木质炭纤维/金属氧化物复合负极材料，还提供一种原料来源丰富、环保可再生、工艺过程简单的木质炭纤维/金属氧化物复合负极材料的制备方法，并相应提供其应用。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种木质炭纤维/金属氧化物复合负极材料，所述木质炭纤维/金属氧化物复合负极材料中的木质炭纤维的直径为1 μm ～10 μm，金属氧化物纳米颗粒均匀分布于木质炭纤维表面。

优选地，所述木质炭纤维/金属氧化物复合负极材料在充放电流为50 mA/g的条件下，首次放电比容量为823 mAh/g～979 mAh/g。

作为一个总的发明构思，本发明提供一种前述的木质炭纤维/金属氧化物复合负极材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）将木质炭纤维分散于加有表面修饰剂的水溶液中，再加入金属盐，搅拌混合均匀后置于反应容器中，在120℃～160℃下进行水热反应，在木质炭纤维表面原位生长金属氧化物前驱体后，得沉淀物；

（2）将步骤（1）所得沉淀物过滤、干燥后，于保护气体氛围下升温至400 ℃～600℃进行烧结，得木质炭纤维/金属氧化物复合负极材料。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述步骤（1）中，所述表面修饰剂为聚乙烯吡咯烷酮、季铵盐中的一种，所述加有表面修饰剂的水溶液的浓度为0.1%～1%。

所述步骤（1）中，所述木质炭纤维与金属盐的质量之比为1 g∶1 g～5 g，所述金属盐为硝酸镍、硝酸钴、硝酸铁、硝酸锰、高锰酸钾中的一种或多种。