[发明专利]纳米粒子填充的空心碳纤维复合材料及制备方法与应用

说明书

本发明实施例公开了一种纳米粒子填充的空心碳纤维复合材料及制备方法与应用，所述纳米粒子填充的空心碳纤维复合材料包括空心碳纤维和填充在空心碳纤维内的纳米粒子。本发明利用同轴静电纺丝法，高成碳率的聚丙烯腈溶液作为壳层溶液，低碳收率的聚合物溶液作为芯部溶液，纳米粒子分散于芯部溶液中；经同轴静电纺丝后，形成具有核壳结构的复合型纤维；经过后续氧化碳化处理，得到纳米粒子填充的空心碳纤维。此方法简单、环保、可操作性强，形成空心碳纤维复合材料，可用作锂硫电池中硫正极载体，并表现出高容量和长循环稳定性。

技术领域

本发明实施例涉及材料技术领域，具体涉及一种纳米粒子填充的空心碳纤维复合材料及制备方法与应用。

背景技术

在制备高性能锂硫电池复合正极方面，导电性优良的碳材料为缓解该体系的本征问题并提升其电化学性能方面起着不可替代的作用。碳材料的应用十分广泛，不同维度的碳材料，如碳球、碳纳米管、石墨烯以及石墨烯泡沫等；不同孔径结构的碳材料，如微孔、中控、介孔；不同石墨化程度的，如无定型碳、不同石墨化程度的碳；不同表面化学修饰的，如磷掺杂、氮掺杂、有机基团掺杂等。通常采用热熔法将单质硫限域在多孔碳中，提升了复合材料整体的导电性，并且碳材料的比表面积、孔径分布以及孔体积是决定其复合材料电化学性能的重要因素。在电池的长循环过程中，非极性的碳材料与多硫化物的作用力较弱，通过化学修饰在碳材料中引入其他原子或基团能有效提升该材料对多硫化物的固定作用。

因此，如何合理的设计多孔碳材料的结构、简单易大批量制备的方法仍是实现锂硫电池硫碳复合正极实际应用的关键所在。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种纳米粒子填充的空心碳纤维复合材料及制备方法与应用，以解决现有技术中多孔碳材料的结构设计不合理，制备复杂的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种纳米粒子填充的空心碳纤维复合材料，包括空心碳纤维和填充在空心碳纤维内的纳米粒子。

进一步的，所述的纳米粒子包括金属氧化物、氮化物、纳米碳颗粒中的任意一种或两种以上的组合；所述纳米粒子的直径小于200nm。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种空心碳纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、配制溶液A和溶液B两种纺丝溶液，溶液A的碳化收率大于溶液B的碳化收率，将纳米粒子分散于溶液B中；

步骤二、将溶液A、分散有纳米粒子的溶液B分别用作壳层溶液和芯部溶液，通过同轴静电纺丝技术，制得具有核壳结构的复合纤维；

步骤三、对步骤二制备的具有核壳结构的复合纤维进行氧化、碳化，形成纳米粒子填充的空心碳纤维复合材料。

进一步的，所述溶液A和溶液B的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺，溶液A的质量百分比浓度为5％-15％，溶液B的质量百分比浓度为溶液A质量百分比浓度的8％-25％，纳米粒子的加入量占溶液B中溶质质量的1％-100％。

进一步的，溶液A和溶液B的配制方法包括在温度为50-80℃的环境下搅拌2-20h，纳米粒子在溶液B中的分散方法包括超声分散1-10h。

进一步的，溶液A的纺丝速度为0.5-2mL/h，溶液B的纺丝速度为0.5-2mL/h，纺丝电压在10-30kV，喷丝头到收集器的距离为10-30cm。

进一步的，步骤三中氧化的方法包括以1-10℃/min的升温速度逐步升温至200-300℃，并恒温0.5-3h。

进一步的，步骤三中碳化的方法包括在惰性气体中以1-20℃/min的升温速度逐步升温至500-1000℃，并恒温0.5-5h。