[发明专利]一种复合微纳中空纤维材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种复合微纳中空纤维材料及其制备方法和用途。所述复合微纳中空纤维材料为内部包裹有金属单质，或合金，或金属化合物多孔中空纳米棱柱的碳纳米纤维，所述金属化合物为金属硫化物、磷化物、硒化物中的至少一种，所述金属化合物含有铁、镍、钴中的至少一种金属元素，所述合金含有铁、镍、钴中的至少两种金属元素。所述复合微纳纤维作为锂金属负极载体时，其内部所具备的多级中空结构有利于电解液在纤维内部的渗透和扩散，更为纤维内部锂的沉积提供了空间。其次，载体中金属硫化物、磷化物、硒化物、或金属单质，或合金具有较好的亲锂性质，有助于金属锂在碳纤维内部的沉积。

技术领域

本发明属于能源及纳米材料制备技术领域，具体涉及一种复合微纳中空纤维材料及其制备方法和应用。

背景技术

储能领域、新能源汽车领域和消费电子领域对具有高能量密度及良好安全性能的下一代锂离子电池的需求极为迫切。金属锂具有优异的理论比容量(3860mAh g^-1)和最低的电化学电势，作为锂金属电池负极材料具有天然优势，被认为是高能量密度电池的最终解决方案。但锂金属电池的实际应用中仍面临巨大挑战，例如在反复充放电过程中，金属锂负极容易产生树枝状的锂枝晶，对电池的性能造成极大的损害。一方面，锂枝晶会与电解液反应，消耗金属锂及电解液，另一方面，脱离锂金属负极基底的锂枝晶，其电子通道被切断，无法参与电化学反应，形成“死锂”，使得金属锂负极的循环效率降低。此外，金属锂枝晶的不断生长会刺穿隔膜，造成电池正负极短路，严重会引起电池爆炸，进而影响电池的库伦效率和循环性能。

发明内容

为改善上述问题，本发明提供了一种复合微纳中空纤维材料，其为内部包裹有金属单质、或合金、或金属化合物基多孔中空纳米棱柱的碳纳米纤维，所述金属化合物为金属硫化物、金属磷化物、金属硒化物中的至少一种。

在一个实施方案中，所述金属化合物含有铁、镍、钴中的至少一种金属元素，所述合金含有铁、镍、钴中的至少两种金属元素，或者所述金属单质为铁、镍、钴中的任一种。

根据本发明的实施方案，当金属化合物或合金中含有两种金属元素时，其摩尔比为1:9～9:1，例如含有摩尔比为1:9～9:1的镍钴金属元素。

根据本发明的实施方案，所述碳纳米纤维内部包括金属硫化物、金属磷化物、金属硒化物中至少一种的多孔中空纳米棱柱，或金属单质多孔中空纳米棱柱、或合金多孔中空纳米棱柱。

根据本发明的实施方案，所述多孔中空纳米棱柱的长度为0.5～3μm，宽度为0.1～1μm；例如长度为0.8～2.5μm，宽度为0.2～0.8μm。

根据本发明的实施方案，所述碳纳米纤维的直径为0.001～3μm，例如0.1～2μm。

根据本发明示例性的实施方案，所述复合微纳中空纤维材料为内部包裹有镍钴硫化物、镍钴磷化物、镍钴硒化物中至少一种、或镍金属单质、或钴金属单质、或镍钴合金的多孔中空纳米棱柱的碳纳米纤维。

根据本发明的实施方案，所述合金具有本领域已知的含义，是指由两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质，例如本文中是指两种以上金属的醋酸盐氢氧化物前驱体直接在惰性气体氛围中高温退火获得的物质。本发明还提供上述复合微纳中空纤维材料的制备方法，包括如下步骤：

S1)将聚乙烯吡咯烷酮及金属醋酸盐溶于醇类溶剂中，形成混合溶液，加热反应得到金属基醋酸盐氢氧化物前驱体；

S2)将步骤S1)所得金属基醋酸盐氢氧化物前驱体与成纤聚合物分别分散于酰胺类溶剂中，分别形成两种前驱体溶液，两种前驱体溶液混合得到纺丝液，通过静电纺丝，将纺丝液制成微纳纤维所组成的薄膜材料；