[發明專利]碳纖維/碳納米管復合膜及其制備方法和應用在審

申請號：	201510308966.6	申請日：	2015-06-08
公開（公告）號：	CN104882588A	公開（公告）日：	2015-09-02
發明（設計）人：	王斌;程建麗;黃玲	申請（專利權）人：	中國工程物理研究院化工材料研究所
主分類號：	H01M4/133	分類號：	H01M4/133;H01M4/1393;H01M4/583;H01M10/0525
代理公司：	四川省成都市天策商標專利事務所 51213	代理人：	伍孝慈
地址：	621000***	國省代碼：	四川;51
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摘要：
搜索關鍵詞：	碳纖維納米復合及其制備方法應用
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及一種鋰離子電池負極材料，具有涉及一種碳纖維/碳納米管復合膜及其制備方法和該復合膜作為鋰離子電池負極材料的應用。

背景技術

鋰離子電池因其高的能量密度和低的成本引起人們極大的研究興趣。作為能量儲存與轉換裝置，鋰離子電池在便攜式電子設備(如手機，電腦，相機等)市場中占據著主導位置，并且有望用于電動車，混合動力汽車及可再生能源(如風能，太陽能等)大型儲能設備中，具有廣泛的應用前景。盡管如此，鋰離子電池仍然存在許多問題與挑戰。一方面，目前已經商業化的負極材料石墨，其理論比容量僅為372mAh?g^-1，無法滿足市場對鋰離子電池高能量密度的需求。另一方面，現有電子設備不僅在性能上尋求進步，更加注重設計上的突破，如更輕薄更靈活可彎折可穿戴等。而其電源--鋰離子電池大多為圓柱型，棱柱形以及紐扣式，其固有的形狀和較重的質量很難實現這一設計轉變。因此，有必要對鋰離子電池尤其是負極材料做進一步的改善。

碳素材料如石墨烯，碳納米管，介孔碳，碳纖維等因其高的導電性和大的比表面積，表現出很好的電化學性能，成為目前替代石墨負極的最優材料。然而，目前這些材料大多制備方法復雜，應用受限。本發明通過有效的工藝方法和途徑，在碳前驅體中加入碳納米管，通過簡單的靜電紡絲，然后預氧化和碳化從而得到碳納米管均勻分布在碳纖維網絡結構中的復合薄膜，該薄膜具有很好的柔韌性，可任意彎折，將其直接用于鋰離子電池負極材料而不加入任何粘接劑或導電添加劑，不僅簡化了電極材料的制作工序，并且大大提高了鋰離子電池的比容量和循環性能，同時其柔韌可彎折的特性使鋰離子電池的形狀可按人們不同的需求進行設計而不僅僅局限于傳統的紐扣式，圓柱式或棱柱式。

發明內容

本發明的目的是克服現有鋰離子電池負極材料石墨比容量低，電池形狀設計受限的缺點，通過簡單的靜電紡絲法，得到柔性自支撐碳纖維/碳納米管復合負極材料，大大簡化鋰離子電池電極材料制備工序，提高鋰離子電池的比容量和循環性能，從而設計出形狀和性能更能滿足市場需求的鋰離子電池，促進鋰離子電池的廣泛應用。

為了達到上述的技術效果，本發明采取以下技術方案：

一種碳纖維/碳納米管復合膜的制備方法，包括以下步驟：

步驟A：聚丙烯腈/碳納米管復合膜的制備

將聚丙烯腈加入有機溶劑N,N-二甲基甲酰胺中，加熱至溫度30～60℃，攪拌至聚丙烯腈全部溶解，配置得質量分數7～12％的聚丙烯腈溶液；隨后將聚丙烯腈重量計0～20％的碳納米管加入聚丙烯腈溶液中，繼續攪拌，接著將該溶液靜電紡絲得到所述的聚丙烯腈/碳納米管復合膜；

步驟B：聚丙烯腈/碳納米管復合膜的預氧化和碳化

將步驟A的聚丙烯腈/碳納米管復合膜在溫度200～300℃下預氧化0.5～8h，接著在溫度600～1100℃下碳化1～12h，得到所述的碳纖維/碳納米管復合膜。

根據本發明的一個具體實施例，所述的聚丙烯腈的分子量為20000～150000Da。

根據本發明的一個具體實施例，將聚丙烯腈重量計0～20％的碳納米管加入聚丙烯腈溶液后的攪拌時間為0.5～30h。

根據本發明的一個具體實施例，所述的靜電紡絲的參數設置如下：電壓，12～25KV；溶液推進速度，0.1～1mL/h；纖維收集距離，10～25cm；纖維收集的方式為平板收集、滾筒收集、滾輪收集或鋁絲收集。

根據本發明的一個具體實施例，所述的預氧化是在氧氣或空氣的氣氛下進行。