[发明专利]一种二硫化钨纳米片/掺氮碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用、铝离子电池

说明书

本发明提供了一种二硫化钨纳米片/掺氮碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用、铝离子电池，属于电池材料领域。本发明中，掺氮碳纳米纤维为柔性自支撑结构，循环稳定性好，在充放电循环过程中，Al³⁺在硫化钨中的嵌入和脱出会对硫化钨的结构产生应力作用而导致结构破坏，掺氮碳纳米纤维基底的支撑保护可以避免硫化钨在循环过程中的结构破坏，保持稳定的性能；掺氮碳纳米纤维具有优异的导电性能，形成三维导电网络与硫化钨复合，使硫化钨中发生的电化学氧化还原过程电子传递和离子传输动力学势垒降低，倍率性能提高，可以适应大电流充放电，为铝离子电池投入实际应用提供可行性，同时氮掺杂能够提高碳纳米纤维形成的三维网络的导电性。

技术领域

本发明涉及电池材料技术领域，尤其涉及一种二硫化钨纳米片/掺氮碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用、铝离子电池。

背景技术

由于锂金属的储量有限，价格高，易燃易爆炸等缺点，需要有一种低成本，安全的可充电电池来代替锂离子电池。铝作为一种储量丰富的金属，其价格远远低于锂，且安全性高，因而铝离子电池成为锂离子电池极有希望的代替电池。自铝离子电池问世以来，其制约因素主要是缺少适合的阴极材料。铝离子电池满足实际应用对阴极材料的要求：1)低成本，工艺流程简单。2) 高比容。3)循环稳定性好。4)倍率性能好，可适应大电流充放电。现有的WS₂/碳纳米纤维复合材料存在导电性不佳的问题，不适于用作铝离子电池材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种二硫化钨纳米片/掺氮碳纳米纤维复合材料及应用、全固态锂金属电池及其制备方法。本发明提供的复合材料中在碳纳米纤维中掺杂了氮，提高了复合材料的导电性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种二硫化钨纳米片/掺氮碳纳米纤维复合材料，包括掺氮碳纳米纤维和分布在所述掺氮碳纳米纤维内部的二硫化钨纳米片，所述二硫化钨纳米片的质量含量为60～65％，所述掺氮碳纳米纤维中氮元素的质量含量为3～5％。

优选地，所述二硫化钨纳米片的层数为1～5，所述二硫化钨纳米片的尺寸为3～6nm。

优选地，所述掺氮碳纳米纤维的直径为200～300nm。

本发明还提供了上述技术方案所述的二硫化钨纳米片/掺氮碳纳米纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

将(NH₄)₂WS₄、N,N-二甲基甲酰胺和聚丙烯腈混合，得到静电纺丝前驱体；

将所述静电纺丝前驱体进行静电纺丝，得到纤维；

在Ar-H₂气氛中，将所述纤维从室温升温至400～420℃进行退火处理，保温1～2h，得到掺氮纤维；

在Ar气氛中，将所述掺氮纤维升温至800～850℃进行碳化，保温1～2h，得到所述二硫化钨纳米片/掺氮碳纳米纤维复合材料。

优选地，所述(NH₄)₂WS₄、N,N-二甲基甲酰胺和聚丙烯腈的用量比为 2～3mmol：5g：0.5g。

优选地，所述静电纺丝的参数包括：电压为18～20KV，针头与接收板的距离为15～20cm，推进速度为10～15μL/min。

优选地，所述从室温升温至400～420℃和升温至800～850℃的升温速率独立地为3～5℃/min。

本发明还提供了上述技术方案所述的二硫化钨纳米片/掺氮碳纳米纤维复合材料或上述技术方案所述制备方法制得的二硫化钨纳米片/掺氮碳纳米纤维复合材料作为铝离子电池阴极材料的应用。