[发明专利]一种功能组分纵向梯度分布的电纺碳纳米纤维复合材料及其制备方法和在钒电池中的应用

权利要求书

1.一种功能组分纵向梯度分布的电纺碳纳米纤维复合材料，其特征在于：所述电纺碳纳米纤维复合材料是通过静电纺丝工艺制备的正极碳纳米纤维材料和负极碳纳米纤维材料；所述正极碳纳米纤维材料由顶层为氧化铱/PAN，中层为氧化铱+石墨烯/PAN，底层为石墨烯/PAN构成功能组分纵向梯度分布；所述负极碳纳米纤维材料由顶层为金属铋/PAN，中层为金属铋+石墨烯/PAN，底层为石墨烯/PAN构成功能组分纵向梯度分布。

2.权利要求1所述的一种功能组分纵向梯度分布的电纺碳纳米纤维复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)PAN/DMF电纺前驱体溶液的制备：将聚丙烯腈PAN粉末加入N,N-二甲基甲酰胺DMF中，80℃下搅拌6～7h至溶解完全，制成PAN/DMF电纺前驱体溶液；

2)正极碳纳米纤维材料制备

2.1)将氯铱酸加入到PAN/DMF电纺前驱体溶液中，分散均匀，得正极电纺前驱体溶液Ⅰ；

2.2)将氯铱酸和石墨烯加入到PAN/DMF电纺前驱体溶液中，分散均匀，得正极电纺前驱体溶液Ⅱ；

2.3)将石墨烯加入到PAN/DMF电纺前驱体溶液中，分散均匀，得正极电纺前驱体溶液Ⅲ；

2.4)依次将正极电纺前驱体溶液Ⅰ、正极电纺前驱体溶液Ⅱ和正极电纺前驱体溶液Ⅲ吸入到静电纺丝设备的进样器中，进行连续静电纺丝，获得顶层为氯铱酸+PAN，中层为氯铱酸+石墨烯+PAN，底层为石墨烯+PAN的功能组分纵向梯度分布的正极聚丙烯腈纳米纤维膜；

2.5)预氧化处理：将获得的正极聚丙烯腈纳米纤维膜用刚玉板压平，置于管式炉中，在空气气氛下，于250～350℃下热处理0.5～2h；

2.6)碳化处理：将管式炉升温至800～1500℃，在氮气或氩气气氛下，热处理1～5h，冷却，得顶层为氧化铱/PAN，中层为氧化铱+石墨烯/PAN，底层为石墨烯/PAN的功能组分纵向梯度分布的正极碳纳米纤维材料；

3)负极碳纳米纤维材料制备

3.1)将三氯化铋加入到PAN/DMF电纺前驱体溶液中，分散均匀，得负极电纺前驱体溶液Ⅰ；

3.2)将三氯化铋和石墨烯加入到PAN/DMF电纺前驱体溶液中，分散均匀，得负极电纺前驱体溶液Ⅱ；

3.3)将石墨烯加入到PAN/DMF电纺前驱体溶液中，分散均匀，得负极电纺前驱体溶液Ⅲ；

3.4)依次将负极电纺前驱体溶液Ⅰ、负极电纺前驱体溶液Ⅱ和负极电纺前驱体溶液Ⅲ吸入到静电纺丝设备的进样器中，进行连续静电纺丝，获得顶层为三氯化铋+PAN，中层为三氯化铋+石墨烯+PAN，底层为石墨烯+PAN的功能组分纵向梯度分布的负极聚丙烯腈纳米纤维膜；

3.5)预氧化处理：将获得的负极聚丙烯腈纳米纤维膜用刚玉板压平，置于管式炉中，在空气气氛下，于250～350℃下热处理0.5～2h；

3.6)碳化处理：将管式炉升温至800～1500℃，在氮气或氩气气氛下，热处理1～5h，冷却，得顶层为金属铋/PAN，中层为金属铋+石墨烯/PAN，底层为石墨烯/PAN的功能组分纵向梯度分布的负极碳纳米纤维材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述PAN/DMF电纺前驱体溶液，按质量百分浓度，含有7～16％的PAN。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤2.1)中，所述正极电纺前驱体溶液Ⅰ中，按质量百分浓度，含有0.6～2.4％的氯铱酸；步骤2.2)中，所述正极电纺前驱体溶液Ⅱ中，按质量百分浓度，含有0.3～1.2％的氯铱酸和0.3～1.2％的石墨烯；步骤2.3)中，所述正极电纺前驱体溶液Ⅲ中，按质量百分浓度，含有0.6～2.4％的石墨烯。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3.1)中，所述负极电纺前驱体溶液Ⅰ中，按质量百分浓度，含有0.6～2.4％的三氯化铋；步骤3.2)中，所述负极电纺前驱体溶液Ⅱ中，按质量百分浓度，含有0.3～1.2％的三氯化铋和0.3～1.2％的石墨烯；步骤3.3)中，所述负极电纺前驱体溶液Ⅲ中，按质量百分浓度，含有0.6～2.4％的石墨烯。