[發明專利]一維In2O3/C纖維復合材料、其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201610964444.6
• 申請日: 2016-11-04
• 公開（公告）號: CN106654190A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 朱明強;趙晗
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/48;H01M4/583;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 許恒恒

技術領域

本發明涉及儲能材料、新能源以及電化學領域，尤其是一維In₂O₃/C纖維復合材料、其制備方法和應用。

背景技術

隨著世界能源需求的日益增加，石油、煤、天然氣等作為主要能源迅速地被消耗殆盡，而且它們燃燒還會產生溫室氣體和其他有毒有害的物質(SO₂、NO₂等)，因此，尋找可再生的綠色能源是當下最緊迫的任務。

鋰離子電池作為上世紀90年代的新型能源，一直倍受人們廣泛的關注，且廣泛應用于電動汽車、移動設備、電站儲能等領域。缺乏優秀的負極材料也是導致鋰離子電池容量和使用壽命受到限制的主要原因之一。傳統的金屬氧化物負極材料有著理論比容量高、原料豐富、價格低廉等優點，同時也受到導電性差、循環性能差等缺點的制約。因此，尋找一種具有良好的比容量及循環性能的負極材料對于鋰離子電池領域具有重大的意義。

氧化銦(In₂O₃)作為鋰離子電池的負極材料，具有理論比容量(965mA h g^-1)較高、結構穩定、毒性小等優點。但是純氧化銦作為鋰離子電池負極材料時，存在以下的缺陷：純In₂O₃負極材料在100mA g^-1條件下循環100圈之后容量即衰減到52.9mAh g^-1，循環穩定性差、比容量低。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種一維In₂O₃/C纖維復合材料、其制備方法和應用，其目的在于通過采用靜電紡絲技術制備得到一種具有均一的線狀結構的In₂O₃/C纖維復合材料，直徑范圍為600～750納米，長度范圍為5～10微米，In₂O₃顆粒均勻分布在碳纖維內外，顆粒大小約30～50納米，并將其應用于鋰離子電池負極材料，發現其有良好的循環穩定性，由此解決現有技術的氧化銦鋰離子電池負極材料的循環穩定性差、比容量低的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的原料，提供了一種一維In₂O₃/C纖維復合材料，所述復合材料的化學式組成為In₂O₃/C，其中In₂O₃納米顆粒分布在碳纖維內部和表面，其In₂O₃納米顆粒的質量百分數為32.3％～36.3％，余量為C。

優選地，所述碳纖維的直徑范圍為600～750納米，長度范圍為5～10微米。

優選地，所述In₂O₃顆粒大小為30～50納米。

優選地，所述復合材料用于鋰離子電池負極材料時，在100mA g^-1、100圈循環之后具有232～350mAh g^-1的容量。

按照本發明的另一個方面，提供了一種一維In₂O₃/C纖維復合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將銦鹽、聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺混合均勻，制備得到銦鹽前驅體紡絲液；

(2)將步驟(1)所述前驅體紡絲液在高壓下紡絲，得到前驅體一維纖維；所述紡絲電壓為15～22KV，推注速率0.5～1.2mm/min；

(3)將步驟(2)所述一維纖維在惰性氣氛中，優選為氮氣氣氛中，500～650℃煅燒3～5h，冷卻后得到碳化后的纖維；

(4)將步驟(3)所述碳化后的纖維在空氣氛中，100～120℃煅燒3～5h，得到一維In₂O₃/C纖維復合材料。

優選地，步驟(1)所述銦鹽為硝酸銦。

優選地，步驟(1)所述硝酸銦、聚丙烯腈和N,N-二甲基甲酰胺的照質量比為0.75～1:1～1.25:10～10.75。

優選地，步驟(2)所述紡絲電壓為22KV，所述推注速率為1.2mm/min。

優選地，步驟(3)所述煅燒的升溫速率為5℃/min。

優選地，步驟(4)所述煅燒的升溫速率為5℃/min.