[發明專利]一種CNF-金屬化合物獨立電極材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201910563790.7
• 申請日: 2019-06-26
• 公開（公告）號: CN110416495A
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發明（設計）人: 蔡俊杰;王凌志;曹景茹;陳妙玲;張增耀
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: H01M4/1391
• 分類號: H01M4/1391;H01M4/1397;H01M4/131;H01M4/136;H01M4/48;H01M4/525;H01M4/58;H01M4/62;H01M10/0525;B82Y30/00
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 張燕玲

本發明屬于鋰離子電池領域，公開了一種CNF?金屬化合物獨立電極材料及其制備方法和應用。將金屬鹽溶解于二甲基甲酰胺中，再加入聚丙烯腈粉體混合均勻，得到混合紡絲液；通過在高壓靜電場作用下進行紡絲，得到聚丙烯腈?金屬鹽復合無紡布；再將其浸泡于有機配體的甲醇溶液中，利用溶出的金屬離子和有機配體的強配位作用，在聚丙烯腈纖維表面均勻形成一層有機金屬框架材料，得到聚丙烯腈?金屬鹽@有機金屬框架；再將其置于管式爐中，在280℃下使聚丙烯腈發生預氧化，然后在氫氣/氬氣的混合氣氛下高溫碳化，最后再進行氧化、硫化或硒化處理，得到片狀的CNF?金屬化合物獨立電極材料。將其裁剪成電極片，直接用于鋰離子電池中作為負極。

技術領域

本發明屬于鋰離子電池領域，特別涉及一種CNF-金屬化合物獨立電極材料及其制備方法和應用。

背景技術

鋰離子電池作為具有優越前景的儲能設備近年來受到廣泛關注。同時，隨著新能源汽車和智能可攜帶設備的快速發展，對具有更高的可逆容量和長循環壽命的儲能裝置提出了迫切的需求。然而，目前商用的石墨電極具有較低的理論容量(372mAhg^-1)，遠低于大規模能量應用所需的規格。金屬化合物基材料是一種很有前景的活性材料，一直受到研究者們的廣泛關注。例如Co₃O₄材料在理論上可以提供高達傳統商用石墨電極三倍的容量。但是，由于本身導電性差，以及充電-放電過程中存在較大的體積變化，金屬氧/硫/硒化物基電極在實際應用中受到很大阻礙。

發明內容

為了克服現有技術中存在的缺點與不足，本發明的首要目的在于提供一種CNF-金屬化合物獨立電極材料的制備方法。

本發明的又一目的在于提供一種上述制備方法制備得到的CNF-金屬化合物獨立電極材料；該活性材料具有優越的倍率性能和長循環穩定性能。

本發明的再一目的在于提供一種上述CNF-金屬化合物獨立電極材料的應用。

本發明目的通過以下技術方案實現：

一種CNF-金屬化合物獨立電極材料的制備方法，包括以下步驟：將金屬鹽與聚丙烯腈混合紡絲得到無紡布，再將其浸泡于有機配體的甲醇溶液中，原位生成一層有機金屬框架(MOF)；再將其在280℃下使聚丙烯腈發生預氧化，在氫氣和氬氣的混合氣氛下碳化，最后再進行氧化、硫化或者硒化得到片狀電極材料，即為CNF-金屬化合物獨立電極材料。

上述的一種CNF-金屬化合物獨立電極材料的制備方法具體包括以下步驟：

(1)磁力攪拌下將金屬鹽溶解于二甲基甲酰胺中，完全溶解后加入聚丙烯腈粉體，攪拌使混合均勻，得到紡絲液；

(2)將紡絲液裝在10ml注射器中，使用20G不銹鋼針頭，設置紡絲參數，進行紡絲；紡絲完畢后取下在烘箱中60℃烘干，得到聚丙烯腈-金屬鹽無紡布；

(3)將有機配體溶解于甲醇中，將步驟(2)所得聚丙烯腈-金屬鹽無紡布浸泡于其中，在纖維表面形成一層有機金屬框架MOF，取出后在烘箱中60℃下烘干，得到聚丙烯腈-金屬鹽@MOF無紡布。

(4)將聚丙烯腈-金屬鹽@MOF無紡布放置在陶瓷舟中，在管式爐中升溫，先使聚丙烯腈-金屬鹽@MOF無紡布在280℃下空氣中預氧化，然后在氫氬混合氣體中高溫碳化，得到CNF-金屬纖維布，最后于300℃下進行氧化、硫化或者硒化處理，使碳納米纖維中的金屬顆粒變成金屬化合物；冷卻到室溫，得到CNF-金屬化合物獨立電極材料。

步驟(1)中所述金屬鹽為硝酸鐵、硫酸鐵、硝酸鎳、硫酸鎳、硝酸鈷、乙酸鈷、硫酸鈷、硝酸鋅、乙酸鋅、硫酸鋅中的一種以上；所述的聚丙烯腈與金屬鹽的質量比為1:1～1:3，所述紡絲液中聚丙烯腈的固含量為8％～16％之間。

步驟(2)中所述的紡絲參數為：紡絲間距16cm～22mm、紡絲電壓12kV～18kV、注射器推進速度0.3ml/h～1ml/h，接收方式為鋁箔接收。