[發明專利]一種石墨烯修飾的柔性可編制碳納米纖維的制備方法

無效

• 申請號: 201310583594.9
• 申請日: 2013-11-20
• 公開（公告）號: CN103569997A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 關宏宇;付沙威;馬麗;邵長路;劉益春
• 申請（專利權）人: 東北師范大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;H01M4/1393;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 長春眾益專利商標事務所(普通合伙) 22211
• 代理人: 趙正

技術領域????

本發明屬于化學工業技術領域，涉及一種碳納米纖維制備方法。

背景技術

鋰離子二次電池是高效、安全、環境友好的儲能設備，具有巨大的市場應用前景和商業價值。

鋰離子二次電池采用嵌鋰碳材料為負極，過渡金屬氧化物為正極，溶有鋰鹽的有機電解質溶液為電解液。通過鋰離子在電極間的嵌入-脫出循環以儲存和釋放電能。鋰離子電池的主要特點是：⑴電壓高，正常工作電壓范圍為2.75～4.2?V，平均工作電壓可達3.6?V以上，是鎳鎘和鎳氫電池的三倍，極適合于電池的小型化、輕量化。⑵比能量高。目前商品化的鋰離子電池的比能量已達到140Wh·kg^-1及300?Wh·L^-1以上，大大高于其他二次電池體系。⑶循環壽命長。由于鋰離子電池兩極均采用嵌入化合物，避免出現金屬鋰沉積析出帶來的表面重現性差和枝晶等問題，循環次數一般可達1000次以上。⑷自放電小。此外鋰離子電池還具有無記憶效應及與環境友好等諸多優點，已被廣泛應用到便攜式電子產品、電動汽車上的理想電源[參考文獻：吳鋒，楊漢西。綠色二次電池新體系與研究方法。北京：科學出版社，2009.]。

碳材料是迄今為止唯一一類用于商品化鋰離子電池的負極材料。

作為鋰離子二次電池的負極材料，首先是金屬鋰，隨后是合金，但是他們無法解決鋰離子電池的安全性能，這才誕生了以碳材料為負極的鋰離子電池[參考文獻：吳宇平，萬春榮，姜長印，方世壁。鋰離子二次電池。北京：化學工業出版社]。早期的鋰離子電池采用焦炭為負極，現在商品化鋰離子電池大多數采用石墨。納米炭纖維作為鋰電池的負極具有很多突出優點，主要是鋰離子在碳纖維中的擴散系數比在石墨中大，并具有高的電子導電性，由于具有較高的長徑比，納米炭纖維形成的導電網絡。不僅可以提高電極材料內部導電均勻性，使得電極極化效應減小，也使得電解液分解程度及首次不可逆容量降低，進而提高電池的循環性能；更為重要的是，柔性導電網絡的形成，能夠在插鋰過程中給電極材料提供一定的彈性和可壓縮性，有助于釋放鋰嵌入和脫嵌過程中產生的應力，進而大幅度延長高倍率下電極材料的循環壽命[參考文獻：J.?R.?Dahn,?Tao?Zheng,?Yinghu?Liu?et?al.?Mechanisms?for?Lithium?Insertion?in?Carbonaceous?Materials.?[J]?Science,?270?(5236):?590-593.]。石墨化碳纖維的表面和電解液之間的浸潤性能非常好，同時由于嵌鋰過程發生在石墨的端面，從而使具有徑向結構的碳纖維極利于鋰離子的快速擴散，因而具有優良的大電流充放電性能。此外碳纖維材料的質量比容量也較大。

聚丙烯腈（PAN）是制造碳纖維的主要原料，經過預氧化和碳化后，最后形成二維碳環平面網狀結構和層片粗糙平行的亂層石墨結構。

目前國際上有報道的制備的碳纖維作為鋰離子電池負極材料的有，韓國的Kim?C?研究小組[參考文獻：Advanced?Functional?Materials,?2006,?16(18):?2393-2397.13]，利用電紡技術制備的優質的碳納米纖維氈，具有自支撐性，纖維的層與層之間以及纖維之間具有很多特殊納米空隙，有利于電解液的擴散，以及鋰離子順利地可逆地脫／嵌。并且在制備電極片時候，不需要黏合劑和添加劑，并且碳纖維在空氣中穩定、無毒副作用，因此是將來制備便捷，輕便的鋰離子電池的負極材料的很好產品，?Frank?Ko等人[參考文獻：Advanced?Materials?2003,?15,?1161-116520]，制備的單壁碳納米管和碳纖維的復合材料，發現纖維的機械強度有所提高。Sabina?Prilutsk[參考文獻：Nanotechnology?2008,19?,165603-165612]等人通過電紡技術制備了含有不同多壁碳鈉米管的聚丙烯腈雜化纖維，通過后續的碳化處理得到碳纖維。碳化過程中纖維的形貌通過透射電鏡和拉曼光譜進行表征,發現多壁碳納米管的加入，增加了多晶結構的碳纖維的結晶性。

石墨烯（Graphene）以其結構獨特、性能優異、理論研究價值高、應用前景廣闊而備受關注。