[發(fā)明專利]一種空心石墨碳納米小球原位修飾無(wú)定形碳納米纖維或碳納米管及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110335080.2
• 申請(qǐng)日: 2011-10-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103088465A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周利民;陳育明;盧周廣;黃海濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 香港理工大學(xué)
• 主分類號(hào): D01F9/21
• 分類號(hào): D01F9/21;D01F9/145;D01F9/24;D01F9/26;D01F9/22;D01F11/12;D01D1/02;D01D5/00;D01D10/02;D01D10/06;C01B31/02;B82Y30/00;B82Y40/00;H
• 代理公司: 深圳市順天達(dá)專利商標(biāo)代理有限公司 44217
• 代理人: 郭偉剛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種碳納米材料，更具體地說(shuō)，涉及一種空心石墨碳納米小球原位修飾無(wú)定形碳納米纖維或碳納米管及其制備方法。?

背景技術(shù)

隨著社會(huì)的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對(duì)不可再生能源的需求量日益增加，必然會(huì)引起石油、煤、天然氣等不可再生資源的枯竭和環(huán)境污染、溫室效應(yīng)的加劇。為此，新能源、省能源技術(shù)、環(huán)境技術(shù)的開(kāi)發(fā)和綜合高效的利用已成為重中重的課題。發(fā)展電動(dòng)汽車、手機(jī)、筆記本等電子電器產(chǎn)品勢(shì)在必行。超級(jí)電容器及鋰離子電池在這些領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)，他們可以滿足高功率、高壽命、高穩(wěn)定性等要求。目前碳材料由于價(jià)格便宜、無(wú)毒、穩(wěn)定高等特點(diǎn)受到了社會(huì)的青睞。比如目前商品化的鋰離子電池和超級(jí)電容器等主要材料就是碳材料組成的。但是由于碳材料結(jié)構(gòu)制約著高容量的發(fā)展，因此提高碳材料容量迫在眉睫。?

材料的納米化賦予了材料更高的性能，甚至新功能。碳納米材料由于具有高比表面積，吸附電解液中離子的能力提高，從而提高了碳材料的容量。目前，一系列合成技術(shù)已經(jīng)成功制備出各種碳納米材料，例如：化學(xué)方法、煅燒技術(shù)、溶膠凝膠等等。參數(shù)的設(shè)定決定最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)及其性能。因此，控制具有高性能的產(chǎn)物的能力是對(duì)于任何一個(gè)制備方法的最終目的。相對(duì)這些方法，靜電紡絲技術(shù)是在高電壓作用下，電場(chǎng)力克服溶液的表面張力，半球狀液滴變成錐形(Taylor?cone)，進(jìn)而帶電的射流會(huì)克服溶液的表面張力從“錐形(Taylor?cone)”射出，然后無(wú)序的到達(dá)接受裝置上形成纖維網(wǎng)。與其他的方法相比，靜電紡絲工藝簡(jiǎn)單、可連續(xù)制備、費(fèi)用不高、而且高效等特點(diǎn)，更重要的是其原位修飾?能力高，可產(chǎn)業(yè)化，被認(rèn)為是制備納米材料的最佳方法，制備的納米纖維/管其直徑10nm～10μm。這就是以下本發(fā)明所述的靜電紡絲技術(shù)。?

碳納米纖維/碳納米管具有納米材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的碳材料(顆粒狀)比較，具有比表面積大、化學(xué)活性高等特點(diǎn)。盡管碳納米纖維/碳納米管能夠提高超級(jí)電容器和鋰離子電池的容量，但如何進(jìn)一步提高容量及其穩(wěn)定性依然制約著碳納米纖維/碳納米管的應(yīng)用。比如：碳納米纖維/碳納米管應(yīng)用于鋰離子電池中時(shí)，由于沒(méi)有多余的空間穩(wěn)定充放電過(guò)程中帶來(lái)的體積膨脹導(dǎo)致其穩(wěn)定性低、容量下降快；另外，碳納米纖維/納米管作為超級(jí)電容器時(shí)需要很大的比表面積去儲(chǔ)存電解液離子以提高其容量。因此制備一種新穎的、高容量、高穩(wěn)定性、高壽命的碳納米纖維/碳納米管是眾多科研工作者傾力攻克的難題。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，針對(duì)現(xiàn)有碳納米纖維/碳納米管的空間不夠?qū)е路€(wěn)定性低、容量下降快的缺陷，提供一種空心石墨碳納米小球原位修飾無(wú)定形碳納米纖維/碳納米管及其制備方法，用此方法制備的空心石墨碳納米小球原位修飾無(wú)定形碳納米纖維/碳納米管組裝成的鋰離子電池或超級(jí)電容器電極具有能量密度高、穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于鋰離子電池及超級(jí)電容器等領(lǐng)域。?

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的采用技術(shù)方案如下：本發(fā)明提供了一種空心石墨碳納米小球原位修飾無(wú)定形碳納米纖維或碳納米管的制備方法，依序包括如下步驟：?

(1)配制靜電紡絲液：用極性溶劑將過(guò)渡金屬鹽與可環(huán)化高分子樹(shù)脂混合攪拌后配制成均勻的靜電紡絲液，其中靜電紡絲液中所述可環(huán)化高分子樹(shù)脂占所述可環(huán)化高分子樹(shù)脂和極性溶劑質(zhì)量之和的5～50％；所述過(guò)渡金屬鹽占所述可環(huán)化高分子樹(shù)脂和極性溶劑質(zhì)量之和的0.5～50％；?

(2)復(fù)合納米纖維前軀體的制備：將步驟(1)配制的靜電紡絲液通過(guò)靜電紡絲設(shè)備在高壓靜電作用下，制備成復(fù)合納米纖維前軀體；?

(3)干燥：將所述復(fù)合納米纖維前軀體在真空中干燥；?

(4)煅燒：將干燥后的復(fù)合納米纖維前軀體在惰性氣氛中碳化成復(fù)合納米纖維或納米管；?

(5)酸處理并干燥：將碳化后的復(fù)合納米纖維或納米管用酸進(jìn)行處理，并在真空中干燥制得所述空心石墨碳納米小球原位修飾無(wú)定形碳納米纖維或碳納米管。?

在根據(jù)本發(fā)明所述的空心石墨碳納米小球原位修飾無(wú)定形碳納米纖維或碳納米管的制備方法中，所述步驟(1)中采用的所述可環(huán)化高分子樹(shù)脂包括：聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、瀝青、聚吡咯、聚乙烯基吡啶烷酮、聚環(huán)氧乙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乳酸、聚丙烯腈和聚苯乙烯中的一種或兩種以上組合。?

在根據(jù)本發(fā)明所述的空心石墨碳納米小球原位修飾無(wú)定形碳納米纖維或碳納米管的制備方法中，所述步驟(1)中采用的過(guò)渡金屬鹽包括：醋酸銅、氯化銅、硫酸銅、碳酸銅、醋酸鎳、氯化鎳、碳酸鎳、硫酸鎳、醋酸鐵和氯化鐵中的一種或兩種以上組合。?