[发明专利]氧化钨复合掺氮碳纳米纤维的锂电池负极材料及制备方法

说明书

本发明公开了一种氧化钨复合掺氮碳纳米纤维的锂电池负极材料及制备方法，所述锂离子电池负极材料以一维氧化钨纳米线复合一维掺氮的碳纳米纤维，形成嵌入型结构；其制备方法是水热法和静电纺丝法结合。首先水热法制备纳米线结构的蓝色氧化钨，随后依次加入DMF和PAN在70℃下搅拌，随后静电纺丝，再经过两次退火得到氧化钨与掺氮碳纳米纤维的复合材料。随后采取推浆法制备得到锂离子电池负极材料。本发明提升了氧化钨作为负极材料的电池的电学性能，优化了现有的氧化钨复合掺氮碳纳米纤维的制备技术，与纯氧化钨负极体系相比，该电池具有更高的初始库伦效率，更优异的倍率性能和更长的循环性能。

技术领域

本发明涉及锂离子电池负极制备技术领域，具体地说，是以一维氧化钨纳米线复合一维掺氮碳纳米纤维，形成嵌入型双一维复合式的锂离子电池负极，能够得到具有优异倍率性能，长循环寿命的锂离子电池。

背景技术

锂离子电池是一种借助于锂离子来回的嵌入/脱出等锂化反应来实现能量的转换与储存装置，具有能量密度大、循环寿命稳定等特点，已广泛应用于众多能源储存领域。随着电子信息技术的发展，便携式电子设备和电动汽车的快速迭代，研发具有更高能量密度、功率密度以及续航寿命的新一代锂离子电池已成为必然趋势。

在传统的锂离子电池中，商业化的石墨碳通常作为负极，但由于石墨的理论容量较低，只有372mAh/g，俨然不足以满足新一代储能设备对储锂性能的高要求。近年来，过渡性金属氧化物氧化钨 ( WO₃ )，具有资源广泛，制备简单，污染较小，理论容量高等优点，成为新型负极材料的研究热点。但因其固有导电性差以及充放电过程中粒子团聚，体积膨胀问题，容量衰退现象，遏制了氧化钨负极材料的商业化应用。为了克服这一问题，如何采取合适的方法（如改善氧化钨结构，将氧化钨与掺氮碳纳米纤维复合）对锂离子电池负极性能进行改善和提升，亟待解决。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种氧化钨复合掺氮碳纳米纤维的锂电池负极材料及制备方法。其制备方法是将水热法生成的纳米线蓝色氧化钨加入静电纺丝前驱体溶液，通过电纺生成蓝色氧化钨复合掺氮碳纳米纤维，再通过退火工艺生成氧化钨复合掺氮碳纳米纤维，随后通过搅浆推浆法制备出负极材料。与纯氧化钨的负极材料相比，电池的倍率性能和循环寿命都得到了极大的提升。

实现本发明的具体技术方案是：

一种氧化钨复合掺氮碳纳米纤维的锂电池负极材料的制备方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：纳米线结构的蓝色氧化钨粉末的制备

将氯化钨(99.99%)和乙醇（99.9%）按1∶120- 150的质量比加入聚四氟乙烯反应釜中，在室温下磁力搅拌均匀形成明黄色澄清透明溶液；随后密封放入烘箱，升温至160℃~200 ℃，维持8~12 h，随后降至室温，得到了蓝色沉淀；将蓝色沉淀倒入离心管，分别加入乙醇和去离子水各五次，通过台式高速离心机进行离心洗涤；随后放入冷冻干燥机，进行冷冻干燥过夜，得到纳米线结构的蓝色氧化钨粉末；

步骤2：氧化钨复合掺氮碳纳米纤维的制备

在玻璃瓶中加入5~10 ml的N,N-二甲基甲酰胺(DMF )，分别加入200~400 mg的蓝色氧化钨和聚丙烯腈( PAN )，随后将磁力搅拌器加热到70 ℃，进行充分搅拌均匀，得到静电纺丝前驱体溶液，所述蓝色氧化钨与聚丙烯腈( PAN ) 质量比为3∶4；随后使用静电纺丝机进行电纺，将前驱体溶液倒入针筒内，针筒上的针头为21号不锈钢针头，在针尖处施加13~18 kv的电压，推进针筒，推进速度为0.06~0.10 mm/min，从针筒推出的丝被距离10~15 cm处的接收器接受，得到白色的静电纺丝成品；将静电纺丝成品放入马弗炉中加热，升温速率2 ℃/min，升至200~300 ℃，退火时间2 h，退火氛围为空气；退火完毕，将丝状物质用金属小勺刮出放入石英舟内，选用高温管式炉退火，升温速率2 ℃/min，升至600~800 ℃，退火时间1 h，退火氛围为氩气；退火完毕，降至室温，得到氧化钨复合掺氮碳纳米纤维的粉末；